飞翼布局无人机保形非对称S弯进气道设计及优化

基于国产动力约束及隐身设计要求,针对飞翼布局无人机双发动机布局进行了保形S弯进气道设计,为进一步提高进气道性能,开展了进气道优化设计研究.首先利用CFD（计算流体动力学）方法对保形进气道风洞模型进行验证,然后结合参数化建模和网格自动生成技术进行CFD数值模拟,最后利用RBF（radial basis function neural network）代理模型及多岛遗传算法开展进气道优化设计.结果表明:①优化后进气道性能有所改善,尤其表现在4°迎角之后性能明显提升,Ma=0.6下4°迎角时总压恢复系数提高了5.46%,畸变指数降低了38.7%;②优化后进气道截面积分布相比初始构型在前段更缓和而后段略微升高,中心线则在前1/3段与初始构型基本一致,之后曲率变化更加平缓;③保形进气道在出口截面具有较强的二次流,侧滑角对于此类进气道在小迎角下影响较小而大迎角时影响较大,设计时应关注大迎角时侧滑特性.      

双旁侧无隔道超声速进气道参数化设计及流动分析

针对双旁侧无隔道超声速进气道中S弯流道内部流向涡产生的大畸变问题，提出了参数化设计技术，并基于典型飞机前体设计进气道构型，利用Liutex涡识别技术分析S弯流道内部的流动机理，并探索提升进气道出口流场品质的设计技术。研究结果表明：Liutex涡识别理论在进气道流场中能够有效识别流向涡的大小和强度；为抑制流向涡的产生和发展，降低出口畸变，进气道入口处上唇口一侧流道应采用较小的曲率，下唇口一侧则需要增大曲率；S弯流道末端应增大扭曲程度以将流向涡推至进气道出口中间区域。本文研究可有效抑制无隔道超声速进气道出口畸变，为控制S弯流道内部流向涡结构探索新型设计方法。     

飞翼无人机3种保形进气口进气道气动与隐身综合特性对比

基于飞翼布局无人机隐身与结构装载布置要求,保形设计了3种进气口形状的背负式S弯进气道,按照进口投影截面形状上、下底之比顺序排列,分别为三角形、梯形和矩形.利用数值模拟方法对无人机内外流场耦合流动进行计算分析,且基于射线弹跳(SBR)法对进气道电磁散射特性进行仿真研究,获得了飞翼无人机3种进气道的气动与隐身综合特性.研究结果表明:①矩形进气道模型升阻和纵向力矩特性表现均最好;②3种 进气道模型按顺序排列总压恢复系数逐渐增大,畸变指数逐渐减小,进气道沿程气流也逐渐顺畅,矩形进气道模型进气道内流特性最优;③0°迎角下3种进气道模型雷达散射截面(RCS)均值基本呈现先增大后减小的特征,进气道终端开放时矩形进气道模型隐身性能最好,而终端短路时三角形进气道模型隐身效果更优异.      

带旁通的双S弯进气道设计及性能

针对一种带旁通的双S弯进气道开展了气动设计和性能仿真研究。探索了改变第一S弯长度对进气道的影响,通过流场流动和砂粒轨迹的分析,对初始设计的模型进行修正,然后在修正后的基准模型的基础上,采用数值模拟方法,重点研究了不同扫气比和过渡截面面积比对进气道管道内流动特性和排砂效率的影响。结果表明：第一S弯的长度过小则气动性能好但不利于排砂,过大则气动性能差但排砂效果好。过渡截面面积比在减小的过程中,进气道气动性能略微下降。当形成分离涡后,总压损失迅速增大,但出口总压畸变指数降低。面积比过大或者过小都不利于进气道排砂。随着扫气比增大,排砂性能提高,进气道出口总压恢复基本稳定,畸变增大。     

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。     

一种双S形进气道流场特性及控制的试验研究

首先利用高速风洞对一种与机身保形的双S进气道原始模型进行了研究,结果表明进气道出口截面总压周向畸变指数较大.继而,在低速风洞试验的基础上选择了一种基于涡流发生器的流场控制方案,并在高速风洞中开展了对该进气道高速风洞流场控制试验研究,分别获得了流量特性、速度特性、攻角特性和侧滑角特性规律.研究结果表明:(1)原型方案的高速风洞试验结果说明双S弯进气道第二S弯上壁面产生了气流分离,在横截面二次流的共同作用下,导致该方案出口截面的上方存在一较大的低压区,当Ma0=0.8,α=0°,β=0°时匹配点处总压恢复系数σ为0.958,周向总压畸变指数Δσ0达到11.7%,超过了一般航空发动机的忍受范围.(2)与原型方案的风洞试验结果相比,涡流发生器控制技术能够有效抑制双S弯进气道第二S弯上壁面的气流分离,大幅度降低了该进气道的流场畸变.设计状态下(Ma0=0.8,α=0°,β=0°)总压恢复系数σ为0.953,周向总压畸变指数Δσ0仅有2.3%,综合畸变指数W为4.1%,满足了发动机的使用条件.(3)研究范围内,较低的飞行马赫数使得流场控制方案出口截面的总压恢复系数略有升高,但对周向畸变指数有着不利影响.此外,随着攻角从-4°增加到8°,出口总压恢复系数和周向畸变指数均逐渐降低.而当侧滑角从0°变化到6°时总压恢复系数几乎不变,但大侧滑角给周向畸变指数带来的不利影响较为显著.(4)在飞行马赫数Ma0=0.6～0.85,攻角α=-4°～8°,β=0°～6°的范围内,匹配点处进气道的总压恢复系数在0.936～0.961之间,周向畸变指数在1.4％～5.4％之间,综合畸变指数在3.8％～7.0％之间,表明采用流场控制后的进气道方案已达到实用水平.     

复杂变截面进气道的一种设计方法

提出了一种基于曲率控制的截面形状生成与过渡技术,可实现进气道任意进口截面形状向出口圆截面的过渡,以此为基础编制了进气道设计程序,能快速且可视地完成各种具有复杂进口截面形状、复杂弯曲形式的进气道设计,并可对进气道通道的各种特征参数进行监控,为下一步复杂变截面进气道的参数化研究奠定了基础.作为初步应用,还完成了多种进口形式的进气道型面设计,并以类X-47狭缝式进气道为例进行了详细介绍.      

有无边界层吸入对S弯进气道流动特性的影响

为了深入认识一种吸入大量来流边界层的S弯进气道,在完成其设计的基础上,采用仿真方法对其流动特性展开了研究,并与无边界层吸入的S弯进气道进行了对比。结果表明:由于吸入大量来流边界层,该进气道进口段流场主要受钝体绕流与平板边界层相互干扰作用;在内通道第二弯段后半段,二次流逐渐发展成为对涡,并将堆积在下壁面的低能流卷向截面中间,最终在出口截面的中下半部形成了低总压恢复区。另外,边界层的吸入使得进气道总压恢复系数下降约0.04,且随出口马赫数的升高,总压恢复系数先升高后降低,而在无边界层吸入的S弯进气道中总压恢复系数随之单调降低。     

中心线形状对S形二元收敛喷管雷达隐身设计的影响

为了探求中心线形状对S形二元收敛喷管电磁散射特性的影响规律,在S形二元收敛喷管进出口面积、偏心距、面积变 化规律不变的条件下,结合超椭圆方法设计了5种不同中心线形状变化规律的S形二元收敛喷管,采用多层快速多极子方法对上 述5种喷管进行了雷达散射截面(RCS)仿真计算和分析。结果表明：5种不同中心线形状变化规律的S形二元收敛喷管在不同频率 和不同极化条件下表现出不同变化规律的雷达隐身特性;综合分析中心线形状C（缓急相当）的喷管整体雷达隐身性能较好,RCS 平均值最高为0.953 dBm 2 、最低为-1.3 dBm 2 ;中心线形状E（前急后缓）的喷管,RCS平均值为1.6 dBm 2 ～2.209 dBm 2 ;中心线形状B 的喷管雷达隐身性能最差,RCS平均值最高为2.71 dBm 2 、最低为0.081 dBm 2 。     

利用涡流发生器抑制S弯进气道旋流畸变的数值模拟研究

S弯进气道由于其良好的隐身性能为现代作战飞机所青睐,但是由于进气道是弯曲的,较大的表面曲率容易导致边界层分离,降低了进气道的总压恢复,增加了气流的湍流脉动,导致旋流畸变的发生。对边界层流动实施控制可以推迟、扼制流动分离,改变进气道的气动性能。本研究在某机型进气道的CAD模型的基础上,利用FLUENT软件对采用不同类型的边界层扰流片(涡流发生器)进行数值模拟,控制边界层分离,使大S弯进气道出口的总压恢复和旋流畸变指标得以改善。     

基于NURBS曲线的涡控蛇形进气道设计

利用NURBS(non-uniform rational B-spline)曲线成功实现了涡控蛇形进气道参数化描述,并运用数值仿真方法对其中两个关键设计参数进行参数化研究.仿真结果表明:①第二S弯上壁面两侧后掠状凸起型面诱导的受控旋涡能够将低能流牵引至出口两侧,从而抑制大范围的气流分离,但凸起角取值需权衡选取,否则将不利于涡控蛇形进气道综合性能的改善.②通过抬高第二S弯下壁面能够减缓上壁面沿程逆压力梯度,进而影响第二S弯上壁面的流态,恰当的取值能够以微小的总压损失换取大幅度的畸变改善.③当设计参数选取恰当时,涡控蛇形进气道在设计状态下总压恢复系数为0.9667,畸变指数为0.2451.进气道性能较传统方案有显著改善,使得蛇形进气道迈向工程实用成为可能.      

S形进气道流动控制数值模拟研究

采用CFD技术,结合试飞数据,对某S形进气道进行了加涡流发生器的流动控制数值模拟研究.着重分析了三个不同位置加涡流发生器后,进气道内部二次流的发展;之后比较了不加涡流发生器及不同位置加涡流发生器时进气道出口总压恢复、畸变等情况.结果表明涡流发生器明显地影响着进气道内部二次流的发展变化,涡流发生器对进气道出口周向稳态总压畸变有较大程度改善,但是对于提高总压恢复效果不明显.     

Design and examination of a turboprop inlet with scavenge duct

The inlet with scavenge duct is an important part of turboprop aircraft engine. This type of inlet normally has a complex shape, of which the design is challenging and directly affects the flow field quality of the engine entrance and thus the engine performance. In this paper, the parametric design method of a turboprop aircraft inlet with scavenge duct is established by extracting and controlling the transition law of the critical characteristic parameters. The inlet’s performance and internal flow characteristics are examined by wind-tunnel experiment and numerical simulation. The results indicate that a flow tendency of winding up on both sides is formed due to the induction of the inlet profile, as well as a vortex pair on the back side of the power output shaft. The vortex pair dominates the pressure distortion index on the Aerodynamic Interface Plane (AIP). In addition, with the increase of freestream angle of attack, the total-pressure recovery coefficient of the inlet increases gradually while the total pressure distortion index decreases slightly. On the basis of the experimental results under different working conditions, the parametric design method proposed in this paper is feasible.     

特定涡旋流畸变对跨声速压气机性能的影响

为研究S弯进气道出口和翼身融合体(HWB)飞机发动机进口两种特定涡旋流对压气机气动性能和稳定性的影响,将设计的新型叶片式旋流畸变发生器与跨声速压气机Stage 67进行联合数值仿真,获得进口旋流条件下的压气机特性线和流场分布,并与转子进口为均匀来流时进行对比分析。结果表明:在100%换算转速,S弯进气道产生的旋流使得压气机压比和效率在近峰值效率点分别下降0.06%、0.85%,稳定工作流量范围减小5.97%,压气机稳定裕度降低1.13%,压比和效率特性线均向左下方移动。HWB飞机产生的旋流使得压气机在近峰值效率点的压比增大6.61%,效率下降6.25%,稳定工作流量范围减小26.88%,压气机稳定裕度降低2.84%,压比特性线向右上方移动,效率特性线向右下方移动。     

典型特征参数对大转折APU进气道飞行性能影响的数值研究

为了给一种迎风开门式的辅助动力系统（APU）进气系统设计提供参考,采用基于后缘线轮廓及面积变化规律的参数化设计方法,通过对唇边顺滑修型,可以与唇口的锯齿前缘配合形成斜向下的进口段,利用数值模拟研究了进口形状、前缘面曲率和喉道位置这三个特征参数对此类大转折APU进气道性能的影响。计算结果表明：APU进气道损失主要来自于分离损失,进口形状主要影响导流面转折程度和进气道内压力梯度变化,前缘面曲率影响了分离区的尺度和强度,其中,前缘面曲率对出口气动性能影响较大,在设计状态下,适当增大前缘面曲率可使得出口总压恢复系数增大0.81%。在后缘面曲率不变的情况下,通过合理安排进口形状、前缘面曲率和喉道位置,可有效推迟分离的发生,减弱分离区强度。另外,在正攻角和侧滑状态下也表现出相同的趋势。     

进气道进口导流板的工作机理

在低速情况下进行了进气道安装进口导流板的研究。文中用实验阐明了进气道处于大攻角下进口导流板能有效的降低其出口稳态和动态畸变,并能提高其总压恢复。文中进一步说明了进口平直段内避风侧壁面上的气流分离与出口流场的关系,提出了导流板改善气流分离的机理,并用所提出的装导流板后的流动模型进行了分析和推断。文中论述了导流板设计参数对进气道性能的影响。本文内容对设计进气道进口导流板具有参考意义。      

Aerodynamic configuration integration design of hypersonic cruise aircraft with inward-turning inlets

In this work,a novel airframe/propulsion integration design method of the wing-body configuration for hypersonic cruise aircraft is proposed,where the configuration is integrated with inward-turning inlets.With the help of this method,the major design concern of balancing the aerodynamic performance against the requirements for efficient propulsion can be well addressed.A novel geometric parametrically modelling method based on a combination of patched class and shape transition (CST) and COONs surface is proposed to represent the configuration,especially a complex configuration with an irregular inlet lip shape.The modelling method enlarges the design space of components on the premise of guaranteeing the configuration integrity via special constraints imposed on the interface across adjacent surfaces.A basic flow inside a cone shaped by a dual-inflection-point generatrix is optimized to generate the inward-turning inlet with improvements of both compression efficiency and flow uniformity.The performance improvement mechanism of this basic flow is the compression velocity variation induced by the variation of the generatrix slope along the flow path.At the design point,numerical simulation results show that the lift-to-drag ratio of the configuration is as high as 5.2 and the inlet works well with a high level of compression efficiency and flow uniformity.The design result also has a good performance on off-design conditions.The achievement of all the design targets turns out that the integration design method proposed in this paper is efficient and practical.     

进气畸变模拟网的设计与试验验证

介绍在涡喷发动机地面试车台上利用金属丝网模拟进气道畸变流场的技术基础、设计方法及三个实例的验证试验结果,表明应用本设计方法制作的三种畸变模拟网均达到了较高的模拟精度,可以满足进气道／发动机相容性评定的工程使用要求。     

基于出口导流控制的超声速进气道性能研究

针对进气道内型面存在较大弯段而导致的流动分离问题,提出了一种对进气道出口弯段进行导流控制的概念,设计了3种不同的导流格栅方案,采用数值仿真方法对不同导流格栅方案的超声速进气道流动进行了对比分析,获得了不同导流格栅对进气道流场结构和工作性能的影响特性.结果表明:利用格栅对进气道进行导流控制,可以改善进气道出口弯段的流场结构和压力分布,避免进气道出口发生流动分离.通过对格栅型面进行优化可以显著改善进气道的工作性能,采用类翼型导流格栅的进气道性能改善幅度最大,马赫数为3.5条件下,其稳定工作裕度和出口总压恢复系数分别提高10.3%和9.8%,冷流内阻降低5.3%.