隐身外形飞行器用埋入式进气道的设计与风洞实验研究

本文为隐身外形飞行器用埋入式进气道发展了一套设计方法。该方法的理论基础是埋入式进气道进气机理和气动S弯概念,其关键技术包含通道中心线设计、横截面面积变化规律设计以及横截面形状设计等,各技术可以方便地用数学方法加以描述,整个方法易于编程实现。并结合一种隐身外形无人机提出了埋入式进气道方案,通过实验得到了此类隐身外形飞行器用埋入式进气道的气动特性。结果表明,所提出的埋入式进气道方案可行,所设计的模型进气道性能良好,所发展的设计方法合理。同时验证了埋入式进气道进气机理的正确性,也表明隐身外形飞行器与埋入式进气道的组合方案具有十分光明的应用前景。     

保外形进气道研究及应用现状

为解决常规外露式进气道给飞行器带来的飞行阻力增大和隐身能力变差的问题,对保外形进气道的几种设计思路进行了探讨。重点综述了埋入式进气道的设计思想、研究与应用现状,分析了将保外形进气道应用在高速大机动战术导弹上的主要难点和亟待解决的问题。最后对埋入式进气道在战术导弹上的应用前景进行了展望。     

保外形进气道研究及应用现状北大核心

为解决常规外露式进气道给飞行器带来的飞行阻力增大和隐身能力变差的问题,对保外形进气道的几种设计思路进行了探讨。重点综述了埋入式进气道的设计思想、研究与应用现状,分析了将保外形进气道应用在高速大机动战术导弹上的主要难点和亟待解决的问题。最后对埋入式进气道在战术导弹上的应用前景进行了展望。     

曲锥前体/三维内转进气道一体化设计与分析

对圆锥流场在不同攻角条件下的气动特征进行分析,以流线追踪技术为基础,发展了一种曲锥前体/三维内转进气道一体化设计方法,获得了三个几何参数对一体化方案外形和性能的影响规律。研究发现,三维内转进气道侧壁外扩角对进气道流量捕获系数影响明显,而捕获形状圆心角对进气道的影响主要表现在几何特征上。此外,进气道流量捕获系数随外压缩段总长度的增大而减小。基于对捕获形状的研究,设计了一种曲锥前体/三维内转进气道,并通过数值模拟对该方案进行研究。结果表明:在设计点来流马赫数为6.0时,该方案进气道流量捕获系数能够达到0.93,且具有0.61的总压恢复系数;在非设计点来流马赫数为5.0时,流量捕获系数能够保持在0.86,总压恢复系数为0.77。      

S弯进气道优化设计及分析

为改进隐身飞行器推进系统的气动性能,针对S弯进气道开展了设计和分析。基于数值模拟方法、代理模型和遗传算法构建了一套自动优化方法。在优化设计过程中,结合参数化建模、网格自动生成和改进(SST)湍流模型求解,应用优化方法对飞行器进行了多目标设计,得到了进气道的优化推荐构型。应用尺度自适应模拟(SAS)方法对优化进气道气动性能进行了全面和细致的分析。研究结果表明:SAS方法可以较好地模拟S弯进气道的流动,优化设计能够极大地改进S弯进气道的气动性能;相比原始设计,优化进气道设计点的总压畸变指数降低了16.3%,总压恢复系数提高了1.1%。     

乘波前体三维内转进气道气动融合设计

在传统三维内乘波进气道设计方法的基础上,发展了一种具有乘波压缩特征的前体三维内转进气道气动融合设计方法。通过构造合适的双波入射基本流场,结合斜激波理论,可以推导出一种上游二维乘波流动叠加下游三维内收缩流动的基准流场。在此流场基础上进行流线追踪与气动融合设计,获得了一种乘波前体加三维内转进气道的气动布局方案。对该进气道方案数值模拟研究结果表明:在Ma6.0的设计状态下,该方案流量捕获系数能够达到0.96,总压恢复系数为0.53;而在Ma4.0的非设计状态,该方案流量捕获系数能够达到0.71,总压恢复系数为0.70。此外,与典型的前体二维混压进气道进行对比研究,乘波前体三维内转进气道方案总体性能提升明显,尤其是进气道流量捕获系数在设计状态下较二维方案上升了4.1%。     

二元混压式进气道压缩段性能快速估算及优化

冲压动力导弹的进气道性能决定了导弹动力系统的优劣,因此在冲压动力导弹设计初期,有必要对二元混压式进气道超声速压缩段性能进行快速估算及优化。针对该问题,提出将进气道外形进行参数化建模,建立基于特征线及边界层理论的进气道性能快速估算方法,并通过激波边界层干扰分离指标变量以及喉道流动参数二次修正,提高对进气道性能估算的精度。估算结果与CFD计算结果的对比,表明了该方法可以对设计状态下二元混压式进气道超声速压缩段阻力系数、平均总压恢复系数及流量系数进行具有较高精度的快速估算,最大误差不超过1.5%。此外该方法与遗传优化算法结合,对进气道超声速压缩段外形设计参数进行快速优化,使进气道压缩段阻力系数下降了13.8%,表明该结合方法可在冲压动力导弹设计初期阶段提高二元混压式进气道的性能。     

最小波阻锥导乘波体和三维内转式进气道一体化设计

发展了最小波阻锥导乘波体和三维内转式进气道的一体化乘波体进气道设计新方法，给出了一个设计实例，评估了新型一体化前体进气道在典型状态下的流场结构和性能，验证了设计方法的正确性。文中首先介绍并验证了基于最小阻力理论或其他优化方法的最小波阻锥导乘波体的设计方法，然后介绍了内锥基准流场的设计过程，进一步介绍了流线追踪三维内转式进气道同最小波阻锥导乘波体的一体化设计方法，并对一体化构型在设计状态下的流场结构和流动参数进行了分析评估，结果符合预期。最后评估了新型一体化前体进气道在非设计条件下的性能，结果显示其具有较高的压缩进气效率。这种新型最小波阻锥导乘波体和三维内转式进气道的一体化设计技术，丰富了吸气式高超飞行器的一体化布局方案，可为后续吸气式高超飞行器一体化布局提供设计方法支撑。     

超声速三维进气道内激波干扰的研究

为了为三维进气道的设计提供有用的分析数据,对高超声速和超声速来流下三维进气道内激波干扰进行了理论和数值研究。进气道模型选取"箱式"以及三面侧压进气道作为研究对象。理论分析采用了"空间降维"方法,即将进气道各个角落处的三维双楔定常激波干扰问题转换为二维非定常激波干扰问题,并利用激波动力学对其进行求解。数值验证方法利用2阶NND差分格式求解三维无粘欧拉方程,网格数量为1200多万,并采用MPI并行进行计算。该理论分析方法很好地对进气道各个角落处的激波干扰波系结构进行了判别,并得到了干扰区马赫构型三波点附近以及规则构型反射点附近的解析解,理论分析结果与数值模拟结果吻合较好。此外,针对进气道截面内各个流场区域的总压恢复系数以及压力、密度和温度进行了研究,并考虑了箱式进气道和三面侧壁压缩进气道内的流场区域的非均匀性,干扰区马赫杆后的总压损失要比其他区域高10%左右。通过研究表明,"空间降维"方法适用于进气道压缩部分,将为进气道的设计和性能评估提供一种理论分析手段。     

一种隐身外形弹体下埋入式进气道的进气机理与低速实验研究

对一种低雷达散射外形弹体下埋入式进气道的某设计方案进行了进气机理研究和低速气动实验研究。实验模型为低雷达散射的多边形弹体和埋入式进气道的组合。由于平面上的埋入式进气口进气困难，因此模型采用了由矩形进口逐渐过渡为圆形出口的进气道。通过对模型的CFD流场数值分析揭示了该平面上埋入式进气道的进气机理是进口侧梭产生涡，涡卷吸进气。通过对模型的低速气动实验研究获得了该埋入式进气道的流量特性以及气动特性随迎角和侧滑角的变化规律。结果表明，本研究所给出的进气道在低速气动实验时具有良好的流量特性和气动性能，较好地解决了埋入式进气道在平面弹身上难以进气的问题。因此可以推断，本文提出的埋入式进气道与低雷达散射弹身一体化设计具有光明的应用前景。     

冲压发动机线性动力学

70年代在超音速进气道动态建模中提出分段集总参数建立子系统的传递函数,并以串联系统的传递矩阵方法求解进气道结尾正激波位置的频响函数,此法较适用,并得到NASA 48cm进气道的实验验证。管彦深教授扩展了此法的应用。      

三维机翼的气动优化设计

将机翼外形参数化的思想和气动分析有效结合,在ISIGHT软件集成平台中同时实现三维外形建模、气动分析及其优化的全过程.探讨了机翼三维模型的自动化建模方法和解决方案,实现了机翼外形建模的完全自动化,并对实现机翼气动优化的相关算法进行了分析和研究.通过对机翼三维外形的自动调整和修改,在集成优化框架内,实现了气动性能的最优化...     

超燃冲压发动机二维进气道优化设计方法研究

建立了超燃冲压发动机二维进气道的优化设计模型，运用优化设计方法对三楔角外压和二楔角内压的混压式进气道进行不同约束条件下的一维优化设计。运用数值方法对进气道的优化设计进行了二维验算，验证了优化设计模型及设计方法的正确性。在此基础上将数值计算方法应用于进气道的二维优化设计，进一步提高了进气道的性能。该方法可进一步推广应用于包含三维、真实气体流动的进气道优化设计当中。     

不同外形建模方法对机翼气动特性的影响

飞机设计和制造过程中外形建模方法对飞机气动特性有较大影响。针对一种大型商用飞机机翼外形方案,基于样条曲线曲面理论,以内外翼整体或分段造型、调整曲面特征截面数量等不同方法进行三维外形建模,同时借助CFD数值计算得出巡航状态下各外形的气动参数,对比分析几种建模方法对机翼外形和气动特性的影响,并总结出一些关于飞机机翼外形建模的基本原则,对飞机设计和制造工程有一定参考价值。     

亚声速进气道设计敏感参数仿真分析

对不同气动布局的两种亚声速进气道建模,并针对两种进气道的敏感参数进行分析。通过对背部双发布局飞机进气道的隔道高度和喉道设计马赫数参数的研究可知,隔道高度增大或者喉道设计马赫数减小,使得进气道出口总压恢复系数增大,增量约0.5%。而对背部单发复杂形状进口(M型进口)布局飞机进气道的喉道形状研究显示,喉道形状越接近进口形状,进气道性能越好,较其他喉道形状进气道,M型喉道进气道出口总压恢复系数最高,最大增量约为1.5%。     

基于轴对称喷管的三维内收缩进气道的设计与初步评估

介绍了基于逆置等熵轴对称喷管的三维内收缩进气道的设计方法,并对设计的进气道的气动性能进行了初步评估。轴对称逆置等熵喷管采用特征线方法生成,以3°截短逆置喷管流动为基准流场,定义进气道出口为圆形截面,采用流线追踪方法和三维造型工具,生成了三维内收缩的超声速进气道,内收缩比CR=6.18。采用自主CFD软件分析了设计的内收缩进气道性能。无粘和粘性湍流计算表明,在设计点、起动状态下流线追踪进气道出口总压恢复系数高,流动核心区较为均匀。     

国外TBCC发动机进气道设计和试验研究综述

跟踪研究了国外涡轮基组合循环(TBCC)发动机进气道技术的发展和应用现状,列举了典型的进气道设计方案,总结了TBCC发动机进气道的关键技术,如模态转换技术、不同工作模式匹配技术、流场控制技术以及一体化技术。TBCC发动机进气道需开展大量试验研究以突破技术瓶颈,国外针对性地开展了相关试验,并取得一定成果。二元可调进气道和三维内转式进气道,是TBCC发动机进气道的主要发展方向。     

“X”型布局锯齿唇口进气道的超声速飞行器气动与隐身一体化研究

针对"X"型布局超声速飞行器气动外形与隐身性能一体化设计研究,采用标准k-ωSST湍流模型和多层快速多极子(MLFMA)数值计算方法,对比分析了有/无锯齿进气道唇口飞行器流动机理和散射机理,获得了有/无进气道唇口的气动性能和飞行器的雷达散射截面(RCS)。研究结果表明:在入射频率15GHz时,采用锯齿外形进气道唇口的飞行器在垂直极化(VV)和水平极化方式(HH)时能够降低飞行器的RCS;在锯齿区域附近出现大量的小尺度激波和涡流结构,扰乱了进气道正常流动;无锯齿时,进气道流量系数较大,其次是锯齿角度为90°外形,锯齿角度为45°时进气道的流量系数相对最小,主要是因为锯齿角度45°时的进气道进口泄漏量相对较小;得到了无锯齿时进气道的总压损失最小,同时,无锯齿进气道唇口飞行器的阻力系数相对较小。     

基于面元法的分布式涵道推进系统进气道优化设计

分布式涵道推进系统被认为是一种高效率的动力布局形式,其中进气道如何使气流低损失地快速过渡到数个圆形截面的涵道风扇进口是一个亟需探索的设计问题。以分布式涵道推进系统进气道过渡段为研究对象,基于面元计算方法,发展了一种进气道内流动的快速数值预测手段。应用所发展面元法数值方法结合进气道的超椭圆参数化方法、自适应优化算法建立了分布式涵道推进系统进气道的无经验优化设计方法。以某型悬停状态的分布式涵道推进垂直起降飞行器为例,使用该设计方法实现了从无圆滑过渡的简单初始几何到气动指标符合优化预期的光顺几何的优化设计。基于RANS的三维数值分析表明：所优化设计的进气道相比于初始几何总压畸变系数(DC)从0.0086降低到0.0067,低于基于经验设计的参考几何（DC=0.0073）,且流场无明显分离及旋涡,确认了这种具有高时间效率的无经验设计方法的有效性。     

全流面乘波前体进气道设计方法

基于流线追踪的飞行器乘波前体设计和发动机进气道设计已有大量的研究工作，但是高超声速飞行器前体与超燃冲压发动机进气道的一体化设计一直是个难点。为了提高前体进气道整体的总压恢复和流量捕获性能，在前期飞行器乘波前体设计和进气道压缩面流线追踪设计方法的基础上，将整个基准流场分为激波压缩流场和等熵压缩流场，顺序组合，从前体激波、外压缩面到进气道内压缩面、反射激波直到喉道进行无缝连续地流线追踪，实现了全流面乘波前体进气道设计。横向三维曲面生成采用类似密切方法进行控制以实现全流面设计；纵向基准流场的构建由交叉推进特征线方法生成的激波压缩流场和反向Prandtl-Meyer流动生成的等熵压缩流场组合而成，只需输入前缘激波形状与进气道喉道出口约束；所有的控制曲线采用一种四次样条曲线进行描述。这是一种统一的基于内、外锥基准流场的前体进气道设计方法，其主要优点是具有较高的流量系数和总压恢复系数，可广泛用于高超声速飞行器前体进气道内外流一体化设计。