大攻角条件下的二维进气道型面优化设计

基于一维气体动力学,以进气道前体楔面楔角为优化设计参数,以总压恢复系数、流量系数最大及阻力系数最小为优化目标,对二维进气道外型面进行了优化设计,并综合考虑了大攻角条件下的位于背风面与迎风面上进气道面临的不同来流条件.在优化设计中,采用改进后的NSGA-Ⅱ遗传算法.在问题求解中,对NSGA-Ⅱ算法的交叉算子及优选策略进行了改进.优化结果表明.总压恢复系数与阻力系数的优化结果具有一致性,即二者可同时达到最优;第一级楔角的大小对流量系数的影响显著.对优化结果进行了数值模拟,数值模拟结果表明,文中设计的型面构型满足设计要求.该设计方法可用于二维进气道型面考虑攻角条件下的初步设计.     

超声速进气道流场三维数值模拟

超声速进气道是固体火箭冲压发动机至关重要的部件之一,直接影响燃烧室的燃烧及发动机性能。基于N-S方程、标准k-ε双方程湍流模型,利用FLUENT软件对某型固体火箭冲压发动机楔形超声速进气道内外流场进行了三维数值模拟。计算得到了超声速进气道在飞行马赫数为Ma=3.5的情况下的流场性能。并在相同马赫数下,研究了等比压缩和攻角条件下的进气道流场的分布情况。模拟结果表明：进气道的总压恢复系数和流量系数等性能指标受到攻角的影响而发生变化。     

一种外并联式TBCC变几何进气道的设计

对一种Ma=0～7的二元外并联式TBCC变几何进气道设计开展了研究,给出了进气道总体设计思路、气动型面设计过程、变几何调节规律以及流场控制方案。初步数值仿真结果表明,该进气道满足预期的流量捕获需求,高速通道Ma=4和Ma=7时的喉道总压恢复系数分别为0.62和0.45,低速通道Ma=2.3和Ma=4时的喉道总压恢复系数分别为0.97和0.73;该变几何进气道在模态转换过程可以正常工作,没有明显的流动分离出现;由于侧板溢流,三维计算结果下的总压恢复系数与流量系数略低于二维计算结果。对三维外并联TBCC变几何进气道开展了涡轮通道扩压段设计及数值仿真研究,给出了三维模型的气动特性及涡轮通道的反压特性。     

冲压增程弹进气道型面气动优化研究

以某型冲压增程弹为研究对象,为了使进气道总压恢复系数最大,利用自动优化平台,集成了参数化建模和进气道流场数值模拟,以总压恢复系数最大为优化目标,运用组合优化策略对双锥进气道的锥角进行气动优化,优化后的进气道总压恢复系数提高了11.96%.数值模拟结果与试验数据吻合较好,证明优化结果可信.结果表明,通过对进气道锥角的优化可快速找出最佳锥角组合.     

不同攻角下高超声速二元进气道性能研究

针对高超声速二维混压进气道,以最大总压恢复系数为目标,基于多楔面内收缩段设计原理,利用多楔角方法设计内收缩段长度和出口高度等。通过比较不同攻角下二元进气道总压恢复系数、流场及启动情况等多方面特性,验证了改变攻角对进气道启动特性改善的效果。     

高速旋转冲压增程弹用进气道复杂流场数值模拟

采用块结构网格与二阶精度流场分区求解技术,对高速旋转、含侧向支柱冲压增程弹丸进气道内外复杂流场进行了数值模拟,得到了高速旋转工况下对应于不同来流马赫数和攻角,以及临界工况时超音速进气道内外流场复杂的波系结构。在旋转工况下,进气道流场结构与不旋转时相似,但旋转速度以及攻角的存在对冲压发动机进气道的总体性能产生了负面影响,进气道总压恢复系数和动能系数均有所降低,而流场畸变指数则显著增大;冲压发动机进气道在较低马赫数工作时的综合性能优于在较高马赫数工作时的综合性能。     

双下侧二元混压式进气道不起动-再起动特性分析

针对某典型固冲发动机用双下侧布局二元混压式进气道的不起动-再起动特性,开展了高速风洞试验和弹体/进气道一体化数值仿真研究。研究结果表明,进气道极限反压与来流总压、喉道总压恢复系数和流量系数相关;进气道入口前气流总压是决定进气道再起动反压的主要因素;在侧滑情况下,背风侧进气道抗反压能力强于迎风侧,且两侧进气道再起动不同步     

超燃冲压发动机变结构进气道设计

针对超燃冲压发动机宽马赫数、攻角范围内高性能工作要求,建立了基于多目标优化的变结构进气道设计方法,获得了进气道结构随马赫数和攻角变化的调节规律。以总压恢复系数、压升比和阻力系数为优化目标,以二维混压式进气道为对象,采用遗传算法进行了基准进气道优化设计,得到Pareto非劣解;以一组Pareto非劣解为基准,在不同马赫数和攻角下进行了进气道变结构优化设计,拟合得到进气道结构随马赫数和攻角变化曲线。仿真结果证实了理论分析的正确性,并发现进气道变结构实现了发动机大范围内高性能工作;进气道高度可变,使得发动机在亚燃和超燃模态均能正常起动和稳定工作;以高马赫数作为设计马赫数,变结构设计后,发动机性能提高。     

高超声速进气道优化设计初探

以总压恢复系数为目标,利用无粘流斜激波关系式和约束最优化计算方法,在考虑混合气体比热随温度变化的条件下,对二维混压式高超声速进气道设计方法作了初步探索,利用数值模拟软件对附面层作了修正,研究了进气道的基本性能。数值模拟结果表明:该进气道在飞行马赫数Ma=4～6.5范围内能够可靠工作。     

二维超声速进气道扩张段性能计算

研究了一种二维超声速进气道扩张段型面的中心线变化规律、扩张比及中心线偏距对设计状态下进气道的气动性能及流场的影响。结果表明:采用前缓后急中心线变化规律的进气道出口总压恢复系数最高,而采用前急后缓中心线变化规律的进气道总压恢复系数最低;随着扩张比从1.40增大到1.80,进气道总压恢复系数和抗反压能力均下降,出口马赫数上升,扩张比与长度对进气道出口参数的影响存在较强的耦合关系;随着偏距比的增加,进气道总压恢复系数起初有一定的升高,但偏距比增大到0.80之后,总压恢复系数降低,出口马赫数增大,总体上偏距比变化对进气道抗反压能力影响不大。     

超声速进气道快速CFD数值模拟计算方案(英文)

根据进气道内部流动特征,并结合现有工程设计经验和试验结论,提出从进气道喉道段出口截面截断,简化取其超声速扩压段和喉道段与其外部流场统一构造出具有单一性态超声速流动的流场计算域,既缩减了CFD数值模拟的计算规模,又提高数值计算的收敛性。经实例计算分析表明,解算速度和效率大大提高,单个计算工况仅需时不到20 m in即可快速完成求解,并可基于数值计算模型提取出进气道捕获流量和最大总压恢复系数等全部主要性能参数,特别适合于在超声速进气道方案设计阶段用来快速进行性能评估和方案选型,有利于提高设计效率,缩短研制开发周期。     

超声速进气道喘振的机理研究

应用数值模拟方法对中心锥中心进气混压式进气道的喘振现象进行了研究。在数值计算的基础上,根据进气道出口截面每个网格点的压力、密度、速度等参数计算了进气道喘振过程中流量系数和总压恢复系数随时间的变化情况。同时给出了在喘振过程中激波振荡的振幅、频率、对应的波系图案。并根据进气道头部分离涡的发展情况以及进气道内通道中状态参数的变化情况对喘振产生的机理进行了分析,认为进气道头部分离涡对喘振的产生起关键的作用。     

弹用二元超声速进气道侧滑敏感性数值分析

为评价二元超声速进气道在侧滑飞行条件下的适用性,基于Fluent软件,运用CFD数值模拟技术,开展了某实例二元超声速进气道内外流三维流场数值仿真计算,分析了有侧滑时进气道内部的流动性态,揭示出侧滑导致进气道迎风内侧壁附面层增厚,从而强化附面层对超声速扩压段斜激波和喉道段流动的干扰作用,使进气道捕获流量特性和总压恢复性能同步下降,侧滑角越大,进气道总体性能损失幅度越大。总体上,在0°~6°的小侧滑角范围内,因侧滑导致溢流造成进气道捕获流量的相对损失幅度低于3%,总压损失幅度不超过1.29%,表明在此条件下进气道总体性能对侧滑敏感性弱,仍可恰当适用。     

导弹腹部进气道前弹体干扰特性数值分析

为评价腹部进气中等超声速战术导弹中导弹前弹体干扰对进气道总体性能的影响,结合设计实例,基于F luent软件,运用CFD数值模拟技术,开展了进气道与导弹前弹身组合体内外流场的一体化数值仿真计算分析。结果表明,相比单独进气道,因导弹头部弓形激波造成的总压损失及前弹体附面层干扰两方面作用,腹部进气道的实际捕获流量和总压水平总体下降,平均下降幅度在设计点单一随攻角变化时分别达3.5%和3%,在低速飞行段单一随飞行速度变化时分别达3%和4%。此外,也证实导弹前弹体的屏蔽和预压缩作用可适度改善腹部进气道攻角特性,采用附面层隔道可弱化前弹体附面层干扰。     

壁面温度对高超声速进气道不起动/再起动特性的影响

分析了高超声速进气道不起动/再起动特性,并对不同壁温下的高超声速二元进气道内流场进行了数值模拟,给出了不同壁温下的进气道不起动/再起动特性,以及进气道不起动马赫教和再起动马赫数随壁面温度的变化规律,最后对壁面冷却改善进气道不起动/再起动特性的内在物理机制进行了讨论.结果表明,采用壁面冷却能提高进气道的流量系数和总压恢复系数,有效改善进气道不起动/再起动特性,拓宽进气道的工作范围.     

二元混压超音速进气道数值模拟与试验研究

通过多方案二元混压超音速进气道的设计分析,优选出5种方案进行了数值仿真,确定了用于试验研究的进气道方案。在此基础上,进行了1∶3缩比模型风洞吹风试验,获得了多种工况下进气道的工作特性,分析了马赫数、攻角和侧滑角等参数对进气道性能的影响。结果表明,设计分析方法可行,可用于弹用超音速进气道的设计和验证。     

一种RBCC二元进气道变几何方案研究

对工作于引射和亚燃模态的RBCC发动机进气道来说,宽马赫数工作的要求显得尤为突出,使得二元进气道应采用变几何结构。针对内压段收缩比对二元混压式进气道性能的影响,文中开展了理论分析和数值模拟研究,并由此提出了一种将内收缩比调节和边界层流动控制相结合的变几何二元进气道方案。研究发现,该方案以低马赫数小范围内较少的流量损失为代价,实现了进气道起动马赫数、阻力的降低和出口总压的增加,改善了进气道的综合性能。     

基于响应面模型的二维高超声速进气道优化

建立了二维高超声速进气道的响应面模型,样本点设计矩阵采用拉丁超立方试验设计法构造,样本数据通过二维粘性NS方程计算高超声速进气道流场来获得。基于进气道响应面模型,对进气道进行了多目标优化,优化后进气道在设计态和非设计态时均提高了总压恢复系数、流量系数和压升比,但也增大了阻力系数,总体上进气道综合性能有明显改善。计算表明,基于响应面模型的优化策略,能够满足进气道流道优化对计算精度和计算量的要求。运用多学科设计优化软件框架iSIGHT作为建模和优化的辅助工具,提高了优化设计的实现效率。     

基于燃气射流控制的可调进气道数学模型研究

针对固定几何形状冲压发动机超音速进气道在高马赫数状态下工作时品质降低问题,提出从补燃室或燃气发生器引入燃气喷入外压缩面和喉道,实现对进气道外压缩波系和有效喉道面积进行调节的方案。采用数值方法计算了不同马赫数工况下,喷射条件变化时进气道的性能参数。根据流场数值计算结果,采用B样条理论建立了燃气射流控制可调进气道数学模型,利用此数学模型可确定进气道外部斜激波位置以及总压恢复系数随工作马赫数和射流喷射条件的变化关系。结果表明,随着射流入射角度和射流流量增大,射流调节能力呈增强趋势。     

进气道俯仰振荡状态的非定常数值仿真

为研究进气道俯仰振荡状态时的性能,耦合求解俯仰振荡运动和非定常Navier-Stokes方程,对平衡攻角为0°、振荡幅值为15°的进气道非定常流场进行了数值仿真。结果表明：在俯仰振荡状态下,进气道的性能发生周期性变化,存在一个类似于领结形状的滞环。