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。     

类水滴进口高超声速内收缩进气道设计及数值研究

采用压升规律可控的轴对称基准流场,结合流线追踪及截面渐变等技术设计了类水滴进口转圆形出口高超内收缩进气道构型,在设计点和接力点进行了数值模拟,并和设计参数相同的矩形转圆形内收缩进气道进行了比较.结果表明:设计点和接力点两者总体性能相当,类水滴进口进气道出口流场较均匀,并且具有更好的起动性能.此外,类水滴进口的几何非对称性造成了进气道整个流场结构的非对称.      

一种新型内乘波式进气道初步研究

提出了内乘波式进气道的设计概念。该进气道以内收缩锥轴对称流场为基础，采用流线追踪技术并截取激波面生成。它具有设计状态流量捕获能力强；三维压缩效率高；波系结构简单且无复杂角部流动，流动损失小等特点。采用该概念设计了来流马赫数6的内乘波式进气道，CFD计算结果显示：粘性对该类进气道设计具有较大影响，附面层的发展会使按无粘条件设计的进气道性能有所下降。尽管还没有进行粘性修正，在相同设计马赫数条件下，内乘波式进气道压比、流量系数和总压恢复系数等性能高于某典型侧压式进气道。     

压升规律可控的高超声速内收缩进气道设计

针对高超声速内收缩进气道,以有旋特征线理论研究了一种型面压升规律可控的新型轴对称基准流场;结合流线追踪技术,以等压力梯度为例,探讨了一种圆形进口的内收缩进气道设计方法,并对三种不同压升规律的内收缩进气道性能进行了比较.结果表明,采用基准流场的内收缩进气道,能较好地保持基准流场的预定压升规律,从而拓宽了基准流场的选择范围...     

进口型线水平投影可控的变截面内收缩进气道设计

发展了一种进口型线水平投影可控的三维变截面内收缩进气道设计方法。基于反正切马赫数分布基准流场,在指定进口型线水平投影为椭圆和出口为圆的条件下,结合流线追踪和截面渐变技术设计了光滑过渡的内收缩进气道。在设计点(M_(ai)=5.4)和接力点(M_(ai)=4.0)对其进行数值仿真,计算结果表明,设计点时进气道的主要流动特性与基准流场基本一致,无黏时可以捕获98%的自由来流,喉道性能与基准流场基本相等。相对椭圆进口进气道,截面渐变的椭圆转圆进气道流场结构相似且性能下降较小,有黏条件下设计点和接力点时喉道总压恢复系数分别降低了2.9%和1.2%。此外,该进气道表现出良好的总体性能,接力点的流量系数达0.82。     

“咽”式高超进气道流动特性及性能分析

采用数值模拟的方法比较分析了一种矩形型面的内收缩进气道和一种椭圆型面的"咽"式进气道的流动特性和性能.这两种内收缩进气道都是以四道平面斜激波三维流场为基本流场,利用流线追踪技术得到的.研究结果表明,该"咽"式进气道对设计状态下的攻角变化不太敏感;在非设计状态下具有较高的流量捕获和压缩能力;另外,由于其浸湿面积小,进气道内附面层增长缓慢,激波与附面层干扰较弱.因此,这种"咽"式流道可作为吸气式高超声速飞行器进气道的一个有利选择方案.      

基于马赫数分布规律可控概念的高超声速内收缩进气道设计

提出了一种高超声速内收缩进气道设计方法.在壁面马赫数分布规律给定的前提下,通过有旋特征线法反设计出轴对称基准流场,采用流线追踪技术来生成进气道的无黏型面并通过黏性修正得到进气道最终构型.对相同约束条件下设计的几种典型马赫数分布规律的基准流场进行对比分析,选取了反正切马赫数分布规律设计基准流场进而生成一种圆形进口的高超内收缩进气道,数值仿真结果显示:这种进气道具有良好的流量捕获特性和较高的压缩效率,表明提出的设计方法可行,拓宽了基准流场的选择范围,值得进一步深入研究.      

咽式进气道设计工况下性能初步分析

介绍了三维内收缩高超声速咽式进气道的设计方法,开发了相应的设计程序.在高度为30 km,设计马赫数为5和攻角为0°工况下进行设计,使用CFD模拟技术,对设计方法和程序进行了验证.最后采用设计程序,考虑咽式进气道的设计参数,即流线追踪出口形状、基准流场压缩角和设计马赫数等,对比分析了其对咽式进气道设计工况下几何与气动性能的影响.结果表明:矩形出口宽高比接近2时,总长、润周面积等几何性能相比较小宽高比时更好.初步设计可以将压缩角配置在8°~12°范围内,且后压缩角小于前压缩角.      

基于密切曲锥的乘波构型一体化飞行器设计方法研究

描述了基于密切曲锥的乘波构型一体化飞行器设计方法。其特点是采用曲面乘波压缩前体,前体进气道压缩面基准流场由激波和等熵压缩波轴对称流场组成,三维乘波面采用密切曲锥方法由前缘线各点流线跟踪拟合构成流面;前体上表面由变半径轴对称特征线法生成基准流场并流线跟踪构成流面;尾喷管根据发动机燃烧室出口参数构造特征线流场并流线跟踪得到膨胀型面。快速的分析工具采用工程计算、一维燃烧室计算与经验公式相结合的方法对飞行器性能进行初步评估。所设计的三米量级一体化模型飞行器通过数值计算和风洞试验对性能进行了验证,结果表明,飞行器在设计状态基本达到设计要求,发动机正常点火工作,飞行器得到正推力,采用的气动性能快速分析估算方法对气动力的预测较为准确。     

超燃冲压发动机尾喷管流线追踪设计

为了满足超燃冲压发动机三维流道排气系统一体化设计需要,基于轴对称最大推力喷管流动的基准流场,采用流线追踪方法发展了三维尾喷管构型设计技术。根据典型的高超声速飞行条件,设计得到了进口方形,尺寸50mm×50mm,长度560mm,出口高度147mm的三维尾喷管无粘构型,并对其进行了粘性修正。对该尾喷管构型在设计状态进行了无粘和有粘流场计算,得到了推力和升力等性能参数,并对其流场结构有了初步的认识。计算发现,流线追踪构型能有效增大推力,而粘性力是造成推力损失的重要因素。     

一种乘波前体进气道的一体化设计及性能分析

采用特征线方法设计了具有直线初始激波、内收缩段消除激波反射、出口参数均匀可控的基准内锥流场.基于密切内锥(osculating inward turning cone,OIC)乘波体设计方法,发展了一体化密切内锥乘波前体进气道(osculating inward turning cone waverider inlet,OICWI)设计技术.基于一体化基准内锥流场和前体进气道设计技术,设计了密切内锥乘波前体进气道.采用数值软件对设计的乘波前体进气道进行了仿真分析,结论如下:①OICWI的设计是遵循气动原理的.②一体化密切内锥乘波前体进气道的前缘形状、内收缩比及出口参数可以根据需求定量准确设计.③理论设计结果和模拟结果吻合一致,证明设计方法是正确可靠的.④数值模拟研究结果表明一体化密切内锥乘波前体进气道具有较好的出口流场均匀度及较高的流量捕获率和较高的总压恢复特性.      

马赫数可控的方转圆内收缩进气道非设计点工作特性

基于反正切马赫数分布的弥散反射激波中心体轴对称基准流场,设计了方转圆内收缩进气道,并对其进行风洞试验和数值仿真研究,获得该进气道非设计点（Ma=5.0和Ma=7.0）的工作特性和自起动特性。试验结果表明：进气道顶板压力分布具有反正切曲线特征,出口涡流区小且总体性能优良。Ma=5.0和Ma=7.0时出口总压恢复系数分别为0.647和0.443,对应的增压比分别为20.0和32.7。Ma=5.0时,进气道不但可以捕获约90%的自由来流,而且能够自起动（内收缩比高于Kantrowitz限制）,下临界反压为64倍来流静压,对应的出口马赫数和总压恢复系数分别为1.32和0.409。上述结果表明,本文设计方法可以获得高性能的矩形转圆内收缩进气道。     

内转式进气道/冯·卡门乘波体一体化设计方法

应用特征线理论设计了内转式轴对称基准流场以及外压缩轴对称基准流场，利用激波交线、流线追踪方法等相关技术提出了一种头部进气式的高超声速飞行器内转式进气道/冯·卡门乘波体一体化设计方法，并对生成的一体化构型进行了数值模拟及分析，数值结果验证了该方法的正确性和有效性。该一体化设计方法基本保留了内转式进气道的优良特性，并以高升阻比乘波体为原型构建较高升阻比的一体化构型，从流场耦合的角度出发为减弱机体与进气道之间复杂的波系干扰，实现飞行器内外流的完全耦合进行了探索。     

马赫数可控的方转圆高超声速内收缩进气道试验研究

基于反正切马赫数分布的弥散反射激波中心体轴对称基准流场,设计了方转圆内收缩进气道,并对其进行自由射流试验和数值仿真,获得该类进气道设计点的工作特性。试验结果表明：进气道顶板压力分布具有反正切曲线特征,总体性能优良且出口涡流区较小,上述设计方法可行有效。设计点时出口总压恢复系数达到0.561,增压比为26.2,临界反压约为135倍来流静压,对应的总压恢复系数为0.210。当带4°攻角时,进气道出口增压比增加49.6%的同时总压恢复系数降低了17.5%。     

进口轴向和水平投影同时可控的内收缩进气道设计

为了满足两侧进气布局高超声速飞行器乘波前体与进气道一体化设计要求,基于特征线法和流线追踪技术提出了一种进口轴向投影和水平投影同时可控的内收缩进气道设计方法。采用该方法设计了进口轴向投影和水平投影均为超椭圆的内收缩进气道并在设计点(马赫数为6.0）对其进行数值仿真验证。结果表明:进气道进口轴向投影和水平投影均符合预期设计。进气道能保持基准流场的波系结构和沿程压力分布,无黏时可以全捕获来流,喉道截面性能与基准流场基本相等。有黏时,进气道也具有较高的压缩效率,流量系数和出口总压恢复系数分别为0.96和0.56。因此,上述设计方法可行有效。      

抽吸对高超声速内收缩进气道涡流区及起动性能的影响

研究了抽吸位置和开槽形式对高超声速内收缩进气道涡流区和起动性能的影响.数值计算结果表明:在内收缩进气道下洗气流集中区域开槽对减小出口涡流区效果显著,在分离包内开槽可以以较小的流量损失来大幅提升进气道的起动性能.横纵向组合槽即T型槽的综合抽吸效率最高,相对原型进气道,设计点马赫数为6.0时在相对抽吸流量为1.01%时出口总压恢复系数提高了12.8%,畸变指数减小了37%;起动马赫数从5.2降至4.1,自起动马赫数由6.2降至4.8.      

高超声速内收缩进气道分步优化设计方法

提出了基准流场与唇口平面形状分步优化的高超声速内收缩进气道设计方法。基准流场以反射激波不均匀性最小和总压恢复最大进行多目标优化设计,使用结合Tayler-Maccoll方程的有旋特征线方法(MOC)进行流场计算,获得双拐点母线内收缩锥基准流场。进气道唇口形状以沿流线积分(Streamline Integral Method, SIM)获得的进气道无黏阻力最小为目标进行优化设计,获得类椭圆形唇口平面形状。针对优化设计结果进行数值模拟,与传统直母线基准流场相比,双拐点母线基准流场反射激波后流动不均匀性下降40%左右,总压损失减少35%左右,总体性能提升明显。类椭圆唇口进气道在设计点的单位质量流量无黏阻力相较于圆形唇口降低6%,具有良好的压缩特性和气动效率,能够减弱进气系统对飞行器气动性能的不利影响。研究结果表明该方法是一种高效且实用的高超声速内收缩进气道设计方法。     

马赫数3～6宽速域内转进气道优化设计

基于对轴对称基准流场参数化研究选取半径适当小的可变中心体，再对其他设计参数进行灵敏度分析，得到设计参数对基准流场整体性能的影响规律，系数c的影响最为明显，同时各个设计参数之间耦合效应影响也很大。运用样本数据库，构建相应的神经网络近似模型并结合邻域培植多目标遗传算法对轴对称基准流场在马赫数为6时进行三目标优化，优化后的基准流场内收缩比降低了7.7%，总压恢复系数提高了2.3%，并且静压比提高了7.1%。基于此优化结果，进行内转进气道型面设计并对其在马赫数为3～6条件下黏性数值模拟，结果表明:优化后的内转进气道在马赫数为3工作时能够正常起动，在马赫数为4～6工作时，进气道有较高的压缩量，较好的流量捕获能力和总压恢复性能。      

A parameterized geometry design method for inward turning inlet compatible waverider

Intensive studies have been carried out on generations of waverider geometry and hypersonic inlet geometry. However, integration efforts of waverider and related air-intake system are restricted majorly around the X43A-like or conical flow field induced configuration, which adopts mainly the two-dimensional air-breathing technology and limits the judicious visions of developing new aerodynamic profiles for hypersonic designers. A novel design approach for integrating the inward turning inlet with the traditional parameterized waverider is proposed. The proposed method is an alternative means to produce a compatible configuration by linking the off-the-shelf results on both traditional waverider techniques and inward turning inlet techniques. A series of geometry generations and optimization solutions is proposed to enhance the lift-to-drag ratio. A quantitative but efficient aerodynamic performance evaluation approach （the hypersonic flow panel method） with lower computational cost is employed to play the role of objective function for opti- mization purpose. The produced geometry compatibility with a computational fluid dynamics （CFD） solver is also verified for detailed flow field investigation. Optimization results and other numerical validations are obtained for the feasibility demonstration of the proposed method.