三维流场乘波体快速设计方法及多目标优化

为扩大乘波体的设计空间,精确地计算设计流场,引入高超声速激波装配法,结合基于多重网格的搜索技术加速寻点效率,扩展流线追踪方法到三流流场,建立普适于一般三维流场的乘波体快速设计方法。对设计曲线使用B样条方法建模并提取设计变量,结合改进的Pareto遗传算法对升阻比和容积率进行多目标优化设计,获得了性能较高的乘波外形。研究表明此方法效率高,设计空间大,是一种乘波体设计的新方法和新思路。     

乘波飞行器广义参数概念设计

在传统布局外形设计参数的基础上，提出用广义参数对乘波飞行器概念外形进行前体／进气道-后体／喷管一体化设计。对所设计的三种外形方案，计算了设计点和非设计点的气动性能，并对影响性能的因素进行了讨论。计算结果表明，采用广义参数设计乘波飞行器概念外形是可行的。     

High-temperature gas effects on aerodynamic characteristics of waverider

This paper focuses on the analysis of high-temperature effect on a conical waverider and it is a typical configuration of near space vehicles. Two different gas models are used in the numerical simulations, namely the thermochemical non-equilibrium and perfect gas models. The non-equilibrium flow simulations are conducted with the usage of the parallel non-equilibrium program developed by the authors while the perfect gas flow simulations are carried out with the commercial software Fluent. The non-equilibrium code is validated with experimental results and grid sensitivity analysis is performed as well. Then, numerical simulations of the flow around the conical waverider with the two gas models are conducted. In the results, differences in the flow structures as well as aerodynamic performances of the conical waverider are compared. It is found that the thermochemical non-equilibrium effect is significant mainly near the windward boundary layer at the tail of the waverider, and the non-equilibrium influence makes the pressure center move forward to about 0.57% of the whole craft’s length at the altitude of 60 km.     

Ma4.5巡航飞行器乘波体方法优化设计

采用多参数综合目标函数的乘波体优化设计方法，研究了乘波体外形设计参数量化方法，以及设计实用的乘波体时选择优化目标应考虑的因素，并由任意形状开始，用完全的优化方法设计出了巡航M数4～4．5的飞行器乘波体外形。本文的研究表明，用完全的优化方法设计乘波体，选择合理优化目标函数是非常关键的一步，它决定了能否得到合理可用的最终设计结果。     

轴对称近似等熵压缩流场的乘波前体优化设计

以升阻比为优化目标，在来流马赫数Ma=2—4及飞行高度H=20km-24km条件下，进行了轴对称近似等熵压缩流场的乘波前体优化设计，通过CFD验证Ma=4优化乘波体的气动特性，并研究了Ma=3优化乘波前体在非设计条件下的气动特性。结果表明：近似等熵压缩下表面的乘波前体在设计条件下具有良好的气流压缩效果，可满足机体／发动机一体化设计的需要；乘波前体升阻比在1．5—1．9之间，纵向压心位置靠后；非设计条件下，压缩波不聚焦，小于设计马赫数升阻比时降低，大于设计马赫数时升阻比略大。     

Design and experimental study of a practical Osculating Inward Cone Waverider Inlet

A design method based on tip to tail streamline tracing and osculating inward cone methods is discussed for designing the integrated Osculating Inward Cone Waverider Inlet(OICWI). A practical geometrical constrained experimental model of OICWI is designed based on the validated design method. It has a total contraction ratio of 4.61 and inner contraction ratio is 2.0. Wind-tunnel tests have been conducted for the OICWI model at free stream Mach number(Ma_∞) of 4.0, 3.5 and 3.0 respectively. The experimental results show that the OICWI has high flow capture ratio and compression abilities. It can self-start at Ma_∞= 3.5 and 4.0 and its flow capture ratio is 0.73 at Ma_∞= 4.0, and Angle of Attack(AOA) 0°. The research results show that the OICWI has advantages of inward cone waverider and streamline tracing inlet. Present OICWI is a novel approach for waverider inlet integration studies and it will promote the use of waverider inlet integration configuration in the studies of airbreathing hypersonic vehicles.     

基于类咽式进气道的高超声速飞行器一体化设计

针对吸气式高超声速飞行器高空巡航飞行时净推力和升力不足的难题,探索了一种基于类咽式进气道的高超声速飞行器一体化设计方法。该方法耦合了具有高升阻比特性的乘波机体和气流压缩性能优异的三维内收缩进气道,获得了一种气动性能较优的高超声速飞行器一体化构型。在设计过程中,对一种咽式进气道的几何外形和激波系结构进行了适当改变,得到了能与楔形乘波前体进行一体化设计的类咽式进气道构型,并采用遗传算法对进气道参数进行了优化;以所得到的进气道和乘波体为基础对飞行器整体构型进行了飞行器内外流一体化设计。无黏计算所得流场与理论设计吻合良好,有黏计算结果表明该飞行器在马赫数7时最大升阻比达到3.4,具有良好的气动性能。     

多级压缩锥导乘波体设计与分析

提出了多级压缩锥导乘波体的设计方法,该方法应用吻切锥理论和零攻角圆锥绕流基准流场通过流线追踪生成具有多个压缩面的乘波体。对以吸气式冲压发动机为动力的高超声速飞行器,应用多级压缩乘波前体可充分发挥前体的预压缩作用,为进气道的正常工作提供所需的均匀流场。以二级压缩乘波体为例阐述了该设计方法,设计方法通过对二级压缩基准流场进行重构,使其符合Taylor-Maccoll流动模型以获得新的二级压缩基准流场。同时编写设计程序生成了一级、二级和三级压缩乘波体,通过数值模拟结果校验设计方法的正确性,并对其压缩性、升阻比、总压恢复系数等性能进行了对比分析。     

吻切锥乘波机的构型设计与性能研究

以圆锥绕流流场为基础，给定进气道进口曲线运用吻切锥理论生成了不同的乘波机构型，并对乘波机进行了包括升力、粘性阻力、波阻、升阻比、乘波机长度、体积、容积效率等各主要性能指标在内的性能计算，初步确定出了吻切锥乘波机构型和性能的变化规律及其决定性定型参数。计算结果表明：源流场圆锥半锥角、进气道进口高度是乘波机性能的决定性因素；在乘波机容积效率要求较高的设计要求下，粘性阻力占乘波机阻力的主导地位，其初设计过程也必须考虑粘性的影响。乘波机的生成过程和性能计算充分证明了乘波机作为高超声速飞行器和空天飞机外形的三项无与伦比的性能：较高的升阻比、由流场推算乘波机外形的反设计和一体化设计性能。     

6种典型飞行器的RANS计算及大分离区域的DES分析

提出了一种将RANS(Reynolds averaged Navier-Stokes)与DES(detached eddy simulation)相结合计算流场的工程新算法,并用于第一代载人飞船Mercury、第二代载人飞船Gemini、人类第一枚成功到达火星上空的Fire-Ⅱ探测器、具有丰富风洞实验数据(来流Mach数从0.50变到2.86)的巡航导弹、高升阻比的Waverider(乘波体)以及具有大容积效率与高升阻比的CAV(common aero vehicle)等6种国际上著名飞行器的绕流计算.在流场计算中,采用分区技术,即首先对全流场采用RANS计算,然后对分离较大或者分离较严重的那些区域采用DES分析技术.文中所完成的6个典型算例总共63个工况的数值计算表明:仅在分离较大的区域采用DES分析技术,虽然从严格意义上讲这样的处理并非真正意义上的DES,但这样近似处理后所得到的流场数值结果(其中包括气动力和气动热)与相关实验数据较为贴近,并且流场的计算效率较全场进行DES计算时要高得多.