密切内锥乘波前体进气道一体化设计和性能分析

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,发展了密切内锥乘波前体进气道(Os-culating Inward turning Cone Waverider Inlet,OICWI)一体化设计技术。基于基准内锥流场和前体进气道一体化设计技术,设计了密切内锥乘波前体进气道。采用数值方法对设计的密切内锥乘波前体进气道进行了计算分析,结果表明无粘流场结构和基准内锥流场吻合,无粘模拟结果和理论设计结果吻合。粘性数值模拟结果显示一体化进气道具有较高的流量捕获率及总压恢复特性,进气道出口流场分布均匀。     

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。     

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.      

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%。     

“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.      

弹用内乘波式进气道起动性能研究

 为弄清内乘波式进气道在低马赫数状态下的流动特征,分析影响内乘波式进气道起动能力的因素,研究与弹体匹配设计的内乘波式进气道的起动问题。首先基于一种有利于出口均匀性的基本流场,采用流线追踪技术,设计了来流马赫数为4.0且进出口形状适应弹体安装要求的双模块弹用内乘波式进气道;此后,采用计算流体力学(CFD)方法获得了低马赫数下进气道的三维波系结构和流动特征。研究表明,进气道溢流口位置是影响内乘波进气道起动能力的重要因素:在溢流口位置由两侧改至最下端后,起动马赫数由3.6下降为3.3;采用单模块方案,溢流口设置在下端后,起动马赫数下降为3.25。此外,设计内乘波式进气道基本流场也对起动性能有影响:设计出口马赫数不变,双模块方案下,入口气流偏转角每增大2°,起动马赫数约下降0.1;单模块方案下,提高入口气流偏转角最大可使起动马赫数下降为3.1;进气道内收缩比对起动能力的影响体现在入口气流偏转角不变时,进气道起动能力仅取决于内收缩比,设计出口马赫数每增加0.2,起动马赫数约减小0.2。研究所分析的各个弹用内乘波式进气道在设计条件下均可捕获99%的来流,在扩大了工作马赫数范围的同时,保持了高流量捕获性能和高总压恢复系数的优势。     

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。     

内乘波式进气道与典型侧压式进气道的性能对比

采用流线追踪技术,基于一种有利于均匀性的基本流场,按内乘波式进气道设计方法生成了一个来流马赫数6.0且进出口形状均为矩形的内乘波式进气道。其设计马赫数、迎风面形状等因素均参照某典型侧压式进气道选取,以便与之对比。CFD计算结果给出了设计状态下该内乘波式进气道与某典型侧压式进气道的流量系数、总压恢复、动能效率等主要性能指标,发现该内乘波式进气道的各项性能参数均略优于侧压式进气道。在非设计马赫数、攻角、侧滑等非设计状态下类似的性能对比研究表明,该内乘波式进气道不仅在设计状态下可捕获98%的来流,而且在各非设计状态下也可捕获91%以上的来流,流量捕获性能优势明显。以上结果证实:实现三维压缩与激波贴口的内乘波式进气道是一种高性能的定几何进气道方案。     

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。     

黏性边界层修正对前体/进气道一体化乘波布局气动性能影响分析

针对基于流线追踪生成的乘波进气道在内流部分存在较大黏性误差的问题,以构建具有消波隔离段的内外流一体化乘波气动布局为目的,发展了一种多级波系锥导或吻切锥乘波体的边界层黏性修正方法.在基于特征线法的多级前体与截短Busemann进气道一体化乘波布局设计方法基础上,耦合了高超声速可压缩轴对称流动的冯?卡门动量方程积分方法,通过修正边界层位移厚度来提高黏性情况下与设计预期的吻合度.对修正前后的一体化乘波构型进行了设计状态下的流场对比验证以及非设计状态下给定马赫数和迎角范围下的气动性能影响分析.计算结果显示,设计状态下黏性修正构型的前体两级激波和入口反射激波位置与设计预期基本一致,消除了隔离段内多次反射激波,进气道流量比增加4.51％,出口总压损失减少8.23％;非设计状态下修正构型同样具备更强的来流捕获能力和更小的出口冲压损失.所发展的方法能够提升内外流一体化乘波布局设计方法的精度,适用于吸气式高超声速飞行器前体/进气道的精确设计.     

基于反正切曲线压升规律设计高超内收缩进气道

采用反正切曲线压升规律设计了轴对称基准流场,该压升规律初始部分压缩较缓,可产生较弱的前缘激波,末尾部分压缩较缓,可产生较小的内收缩比,中间部分压缩量较大,主要对气流压缩.对该压升规律的3个系数进行了参数化研究,得到各系数对流场压缩效率,压缩量,以及重要几何参数的影响规律.基于该基准流场设计了圆形进口内收缩进气道,并进行了无黏及黏性数值研究.结果表明:采用该压升规律可以有效减小进气道前缘激波强度,提高压缩效率,同时具有较小的参考内收缩比,进气道在设计点和非设计点均具有良好的流量捕获特性和较高的压缩效率.      

基于替代模型的高超声速前体/进气道一体化优化

采用基于替代模型的渐进优化策略对二维高超声速前体/进气道进行一体化设计优化,采用拉丁超立方试验设计法选择样本点,采用二维粘性CFD方法计算进气道流场来建立样本数据库,综合运用了多项式响应面、Kriging模型、BP神经网络和径向基神经网络等替代模型.相对于基准构型,前体/进气道的优化构型在设计态时提高了流量捕获与来流压缩能力,提高了总压恢复性能,同时减小了阻力系数,综合性能提高了5.3%;在非设计态时优化构型的综合性能也有不同程度的改善.      

基于二维曲面基准流场的流线追踪高超声速进气道设计

以压力梯度可控设计方法优化后的二维曲激波基准流场为基础,结合流线追踪和截面渐变技术实现了矩形进口、圆形进口以及方转椭圆进气道设计,证明基于二维曲激波基准流场可以设计出各种进出口截面形状的高超声速进气道.利用上述设计方法设计的3种不同进出口形状的高超声速进气道,与相同约束条件下的常规二元三楔进气道进行了对比.数值仿真研究表明:3种非常规进气道设计点无黏流场马赫数分布及总体性能与基准流场接近,具有二维基准流场的特征,波系结构简单,出口畸变较小.此类进气道的总体性能相当,较常规进气道可以显著缩短外压段长度,流量捕获能力更强,非设计点也表现出良好的性能.以上结果表明该设计方法是可行的,值得进一步研究.      

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。      

马赫数分布可控的基准流场灵敏度分析与优化设计

利用Isight软件对反正切马赫数分布可控的轴对称基准流场设计参数进行灵敏度分析,获得了设计参数对基准流场总体性能的影响规律,其中前缘压缩角和系数 c 的影响最为明显.针对该基准流场,建立了多项式响应面模型并在设计点进行三目标优化,得到了总体性能较优的轴对称基准流场.基于该优化结果设计了圆形进口的高超声速内收缩进气道并在 Ma=4~7进行数值分析,结果表明:进气道在设计点和非设计点均具有较高的压缩效率和良好的流量捕获能力, Ma=6和7时出口截面总压恢复系数分别为0.581和0.513,压比分别为20.01和24.73, Ma=4时流量系数达到0.880,说明该优化方法可行.      

高超声速内收缩进气道轴对称基准流场改进

针对轴对称基准流场中前缘曲激波靠近中心体的部分激波强度过大现象,基于马赫数分布可控反设计方法,将这道前缘曲激波分解为一道较弱弯曲激波和部分等熵压缩波,改进的基准流场存在“四波四区”结构且压缩效率明显提高.基于该改进的基准流场和常规“两波三区”基准流场分别设计了圆形进口的内收缩进气道并对其流场特点和性能进行数值研究.结果表明:改进的进气道的流场能较好保持基准流场的特点;在来流马赫数为4.0~7.0范围内具有较高的压缩效率和良好的流量捕获能力,设计点的出口压比和总压恢复系数分别为17.56和0.540;改进的进气道采用来流马赫数从高到低前缘弯曲激波和汇集的等熵压缩波依次封口的设计概念,在提高流量捕获能力的同时减小了总压损失,总体性能优于常规进气道,来流马赫数为7.0时总压恢复系数相对提高了23.6%,来流马赫数为4.0时流量系数相对提高了5.7%.      

四段修型弥散反射激波中心体基准流场研究

针对高超声速内收缩进气道宽马赫数范围工作的要求,设计了一种四段修型弥散反射激波中心体基准流场,可明显提高基准流场来流马赫数高于设计点来流马赫数（6.0）时的压缩效率,巡航点（来流马赫数为7.0）出口总压恢复系数较下凹圆弧中心体基准流场提高了2.3%.此外,基于两种基准流场分别设计了圆形进口内收缩进气道并在来流马赫数为5.0~8.0范围内进行数值计算,结果表明:来流马赫数高于设计点来流马赫数时,四段修型进气道的压缩效率更高.有黏条件下,来流马赫数为8.0时二者的增压比近似相等,四段修型进气道喉道截面出口总压恢复系数相对提高了1.1%.      

密切曲面内锥乘波前体进气道设计和试验研究

介绍了密切曲面内锥乘波前体进气道（Osculating Inward turning Cone Waverider Inlet,OICWI）的一体化设计方法,对该型乘波前体进气道的性能进行了数值分析,针对该型一体化乘波前体进气道完成了风洞试验研究。理论设计结果和设计状态无粘模拟结果一致,设计状态下的计算结果表明,前体进气道具有较高的总压恢复、较好出口流场均匀度及较高的流量捕获率。试验研究结果表明,改型一体化前体进气道在马赫数5～7条件下顺利启动,流场波系及压力分布同数值分析结果吻合。