前缘水平投影可控的乘波体设计方法研究

结合流线追踪技术和密切面混合函数提出了一种前缘水平投影可控的乘波体设计方法,并完成了前缘水平投影为超椭圆的乘波体(Waverider-F)和超椭圆前缘转超椭圆后缘的乘波体(Waverider-FT)设计。二者具有较高的容积效率,前缘对应的轴向投影近似为余弦曲线。通过数值仿真验证了设计方法的有效性,设计点时Waverider-F的乘波特性良好且保持了基准流场的特点,Waverider-FT前部完全乘波,后部两侧诱导激波使流场变形且形成高压区,接力点时二者的乘波特性也较好。另外,二者具有较高的升阻比和预压缩效率,设计点时无粘升阻比分别为3.46和2.88。与Waverider-F相比,Waverider-FT的升力、阻力和出口增压比都明显增加,而升阻比、俯仰力矩和出口总压恢复系数降低。有粘条件下,设计点的升阻比由2.91降为2.41,对应的出口总压恢复系数降低了5.8%。     

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%.      

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.      

非均匀来流对新型高超弯曲激波二维进气道的影响

针对一种采用新型压升规律的曲面压缩面所设计的高超弯曲激波二维进气道,利用数值模拟方法研究了6种不同长度平板发展而来的非均匀流对其性能参数的影响,并和两种常规二维进气道吞非均匀来流的能力进行了比较,着重对比了设计Ma数下三种不同压缩形式进气道喉道截面的流场畸变程度。数值模拟结果表明,采用新型压升规律的高超弯曲激波二维进气道性能受来流气流不均匀性的影响较小,且喉道截面的流场畸变指数小,对非均匀来流具有一定的校正作用。     

横向变过载对固体火箭发动机绝热结构设计的影响

针对新一代防空导弹高机动作战特点,研究了复杂横向变过载对固体火箭发动机绝热结构工程设计的影响。同时考虑过载值和过载角度的瞬时变化,对发动机绝热层进行网格划分,并对烧蚀厚度进行编程计算,进而按照安全裕度设计准则得到不同位置的绝热层设计厚度。与传统设计结果相比,考虑横向过载的变化可以显著减少了发动机的结构质量,提高了发动机总体性能,绝热质量减小了53.7%,总冲提高了6.84%。      

马赫数1.5～4.5的曲面轴对称变几何进气道设计

针对空气涡轮火箭冲压发动机马赫数1.5~4.5工作范围的设计要求,提出了一种唇口平移的曲面轴对称进气道变几何方案及其新型调节机构,并通过数值仿真方法对其总体性能和流动特性进行研究。结果表明:采用曲面压缩的轴对称变几何进气道总体性能较高,尤其是流量捕获能力良好,可以满足整个工作范围的需求。此外,新型调节机构简单可行,利于工程实现。     

流量系数可控弹性自适应高超进气道研究

为实现采用气动变几何的设计思想使高超进气道在宽马赫数范围内控制流量系数的目的,针对二元进气道,采用数值计算的方法,通过改变压缩面的上下压差使压缩面产生弹性变形,从而控制不同马赫数下进气道的流量系数。数值计算结果表明,在非设计点来流马赫数为4.5,5.0,5.5条件下,流量系数的可控范围分别为0.787~0.889,0.856~0.972,0.923~1.000,各马赫数所对应的最大流量系数分别比定几何条件下提高了14.2%,13.7%,7.4%,并对出口截面的总压恢复系数也略有提升。由此证明,气动变几何的设计思想是可行的,可以实现在宽马赫数范围内控制流量系数的目的。     

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.      

基于等熵压缩面型面坐标变换的二维曲面压缩面数值模拟

利用坐标变换矩阵对等熵压缩面型面坐标进行缩放变换,得到一系列不同曲率的二维曲面压缩面.利用数值模拟手段对该系列曲面压缩面进行了研究,并与壁面马赫数线性分布和压升规律可控的压缩面进行了比较.结果表明:等熵压缩面型面坐标变换后其长度明显缩短,在相同总偏转角下x轴坐标缩放比例因子为0.7的曲面压缩面长度缩短30%;不同x轴坐标缩放比例因子的曲面压缩面产生分散、不汇聚于一点的压缩波并能保持等熵压缩的流动特征,壁面压力分布得到一定程度的改善且随着x轴坐标缩放比例因子的减小,壁面马赫数逐渐趋于呈线性分布;x轴坐标缩放比例因子为0.5的曲面压缩面同壁面马赫数线性分布的压缩面在流场结构、壁面压力、壁面马赫数分布以及出口截面总压恢复系数、出口截面马赫数分布方面具有高度的相似性.      

基于马赫数分布可控曲面外/内锥形基准流场的前体/进气道一体化设计

提出了一种高超声速飞行器乘波前体的外锥形基准流场设计方法,在锥面马赫数分布规律给定的条件下,通过有旋特征线法实现反设计,提高了基准流场设计的灵活性。该基准流场通过锥形"下凹"弯曲激波和波后等熵压缩波系压缩气流,可以在较短的长度内完成高效压缩。基于反正切马赫数分布外锥形基准流场设计的乘波前体具有较高的容积率,乘波特性良好且出口均匀,设计点时有黏升阻比为1.89。另外,基于该乘波前体和马赫数分布可控的内收缩进气道给出了一种双乘波的前体与进气道一体化设计方案,实现了内外流分别独立乘波,充分发挥了乘波前体和内收缩进气道的各自优势。