吸气式高超声速飞行器前体/进气道一体化设计与试验

针对吸气式高超声速飞行器前体/进气道一体化设计的问题,以总体指标为约束,采用数值设计手段开展了前体/进气道一体化设计,并对高超声速飞行器进行测压/测力试验,考核了前体/进气道的一些主要性能,结果表明:①设计状态下,数值计算结果表明前体/进气道性能符合总体指标要求,设计手段有效;②数值手段模拟结果和风洞试验结果吻合良好,流量系数最大误差为4％,总压恢复系数最大误差为42％,数值算法有效;③前体/进气道的附加阻力随来流马赫数的增大而减小,0°攻角下,在来流马赫数为4时,附加阻力占总阻力的172％,在总体设计时应予以考虑;④在进行吸气式高超声速飞行器通流测压/测力试验设计时,应充分考虑进气道不起动的试验预案,防止由于进气道不起动导致整个试验的失败.      

高超声速二维前体进气道一体化优化设计研究

在飞行器前体进气道的一体化优化设计中,最大总压恢复系数是一个必须考虑的参数.本文从二维高超声速进气道的最大总压恢复系数入手,通过理论分析给出了高超声速飞行器从2波系到6波系的二维高超声速飞行器前体进气道的一体化优化设计计算模型.采用拉格朗日乘子法和序列二次规划法(SQP)分别计算了进气道内一道内激波和两道内激波时的情况,给出了进气道的最大总压恢复系数、进气道内马赫数、激波偏转角和激波强度随来流马赫数的变化关系.比较两种方法的计算结果可知采用的计算方法是合理的.     

溢流槽对二元高超声速进气道性能的影响研究

首先对澳大利亚HyShot计划进气道模型进行了数值模拟,得到了设计状态及非设计状态下的流场特征,以及进气道性能随来流马赫数的变化规律。根据分析,提出了在二元高超声速进气道内压段开设溢流槽的设计思路,设计了工作马赫数4.0～6.0范围的二元高超声速进气道,并给出了通过抬高或降低原设计槽口高度得到的两种新的开槽方案进气道的物理模型。通过数值模拟,结果表明：溢流槽有效改善了进气道的性能,拓宽了进气道的工作范围,槽口高度的不同对进气道性能有相当大的影响。     

一种基于双模态燃烧二元高超声速进气道研究

设计并研究了一种基于双模态燃烧的二元高超声速进气道.通过在进气道内设计一个隔板,将流道分为超声速通道和亚燃通道.采用数值模拟方法,研究了内压段肩部型面,隔板进口高度及水平位置,过渡段起始点及扩张角、下通道出口高度、隔板头部型面等几何设计参数对进气道性能的影响规律,并给出了参数选择建议.结果表明:在研究范围内,内压段肩部型面、隔板进口高度及水平位置和过渡段起始点对总压恢复系数影响较大;而隔板进口高度及头部型面、过渡段扩张角和下通道出口高度对抗反压能力有较大影响.      

源项法模拟高超声速飞行器内外一体化流场

为了简化燃烧室流场模拟，提高内外流场数值仿真效率，为高超声速飞行器一体化构型提供设计依据和参考，发展了一种在流动控制方程组中加入源项的数值模拟方法。通过调节源项作用位置及大小，该方法可实现对超燃冲压发动机燃烧室内的添质添能流动的模拟：与直联式试车台实验数据对比表明，该方法能够较好地模拟冲压发动机内压力分布，能够满足飞行器气动／推进一体化构型方案设计及总体方案设计阶段的需求。     

高超声速冲压发动机技术

介绍高超声速冲压发动机的结构要素,指出各要素的性能和研究方法,以及该发动机目前研究的概况与成果。探讨作为高超声速飞行器推进系统设计的可行性。     

高超声速进气道中壁龛式预燃室进气特性

在空气流量４．６９ｋｇ／ｓ左右的地面连管试验台上,研究了高超声速进气道中壁龛式预燃室内外流场的气流特性。试验发现,壁龛式预燃室中流动状态的变化与激波－附面层之间相互作用关系密切。虽然在壁龛式预到中测得的总压值较低,气流总压损失较大,但仍满足两股气流之间超燃点火的压力匹配要求。因此,提出的壁龛式预燃室方案是可行的。     

溢流槽对二元高超声速进气道性能的影响

首先对澳大利亚HyShot计划进气道模型进行了数值模拟,得到了设计状态及非设计状态下的流场特征,以及进气道性能随来流马赫数的变化规律.根据分析,提出了在二元高超声速进气道内压段开设溢流槽的设计思路,设计了工作马赫数范围为4.0～6.0的二元高超声速进气道,并给出了通过抬高或降低原设计槽口高度得到的两种新的开槽方案进气道的物理模型.通过数值模拟,结果表明:溢流槽有效改善了进气道的性能,拓宽了进气道的工作范围,槽口高度的不同对进气道性能有相当大的影响.      

典型二元高超声速进气道与侧压式进气道的性能比较

在相同的约束条件下运用高超声速进气道已有的相关设计方法设计了两类典型的二元进气道与侧压式进气道,利用数值模拟手段对两类进气道的流场结构和总体性能开展了对比研究.研究发现,二元进气道出口流场畸变较小,流场均匀性优于侧压式进气道;二元进气道流量系数对飞行马赫数的敏感程度远高于侧压式进气道;设计点,二元进气道性能优于侧压式进气道.非设计点,尤其在接力状态下,侧压式进气道性能突出;侧压式进气道阻力特性优于二元进气道,而二元进气道的前体升力则高于侧压式进气道.      

高超声速进气道壁面开缝对边界层分离影响研究

以二维高超声速进气道GK01[1]为计算模型,对进气道进行无粘、粘性以及边界层分离控制方法数值研究.结果发现,利用文中设计的壁面开缝措施可以有效减小甚至消除激波/边界层干扰带来的边界层分离现象,降低粘性效应造成的负面影响;相对开缝前,开缝措施在设计点和非设计点均能明显提高进气道的总压恢复系数和动能效率,而对流量捕获系数的影响很小.同时文中给出了开缝措施在非设计点下对进气道性能指标的影响规律.     

压力分布可控的高超声速进气道/前体一体化乘波设计

在二维弯曲激波高超声速进气道基础上,发展了一种压力可控的进气道/前体一体化乘波设计方法。通过事先指定前体/进气道壁面压力分布,结合二维特征线反设计方法,可以逆向设计出流向、横向压力分布规律都可控的进气道/前体外压缩段型面。采用该方法,设计了一种二维进气道/前体一体化方案,并对其进行数值模拟。结果表明：设计状态下,与不带侧板二维进气道相比,此类一体化方案中的进气道设计状态流量系数提高27%,出口压比提高48.5%,总压恢复系数提高10%;与楔导乘波理论设计的一体化方案相比,压力可控的一体化方案具有相似的外形尺寸和乘波特性,但进气道流量系数则较楔导乘波方案提高了5%,进气道出口压比提高6.4%,总压恢复系数提高2.3%。     

一种二元高超声速进气道起动特性的尺度效应研究

对一种二元混压式进气道三维流场进行了数值和实验考察,研究了不同尺度进气道模型自起动性能的变化。结果表明,在相同来流单位雷诺数条件下,随着模型尺度的减小,进气道自起动马赫数有所提高,起动性能有所降低。同时对不同尺度模型进行雷诺数匹配,发现在相同雷诺数下,不同尺度模型的起动性能相近,表明雷诺数是影响不同缩尺模型起动性能不同的主要原因。在可获得的实验结果范围内,数值模拟所得到的自起动结果基本与之相符。此外,对实验中发现在低雷诺数下进气道反而呈现出自起动特征的异常现象进行了初步分析,通过数值模拟比较指出了低雷诺数下来流偏向层流流态,可能会导致进气道呈现一种“起动”状态。     

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.      

Design and analysis of a hypersonic inlet with an integrated bump/forebody

Numerical simulations and experiments showed that bump inlet had a remarkable effect on boundary layer diversion of supersonic flow.However, the design and analysis of bump in hypersonic flow was still few.In this paper, the mechanism of a supersonic bump inlet is introduced to the design of hypersonic forebody.A hypersonic inlet with an integrated bump/forebody is obtained by the Method Of Characteristics(MOC) based on a chin inlet.Numerical simulations show that the modified inlet achieves diversion of low-speed flow.Besides, the integrated bump/-forebody is also beneficial to inlet start.During the starting process, the shape of the separation zone is rebuilt by the modified forebody surface which makes spillage much easier.This new design leads to a reduction of the self-start Mach number by 0.95.     

高超声速轴对称进气道多目标优化设计

以高超声速轴对称进气道为研究对象,对进气道型面进行参数化设计,选取一般二次曲线饱和度、一般二次曲线控制线、过渡圆弧半径、喉道拐角、喉道等直段长高比、中心线控制参数、当量锥角7个参数作为设计变量对进气道进行了多目标优化设计。设计过程中,利用正交试验设计方法确定初始样本点,建立进气道在设计点下总压恢复系数、出口畸变两个优化目标与设计参数之间的Kriging代理模型,采用第二代非劣排序遗传算法(NSGA-Ⅱ)对代理模型进行分析求解。结果表明:进气道型面在经过多目标优化设计后,在设计点下进气道总压恢复性能提升2.63%,出口畸变指数减小27.57%。     

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。     

连续伴随方法在二维高超声速进气道优化中的应用

针对连续伴随方法,开展在二维高超声速进气道优化中的应用研究。进气道构型采用基于特征线法设计的曲面压缩进气道,运用自由曲面变形FFD方法对进气道外压缩面参数化控制,在黏性情况下基于连续伴随方法以进气道流量为目标开展优化研究。采用三套网格研究外压缩面壁面灵敏度的影响因素,结果表明壁面灵敏度对边界层网格依赖性较强;通过有限差分法对连续伴随方法得到的目标函数梯度进行验证。基于以上方法和结论,采用拟牛顿BFGS方法以进气道流量为目标函数对外压缩面优化,优化后唇口处入射激波实现封口,外压缩面最大法向位移为5.6mm,进气道流量提高6.3%,整体性能得到提升。优化结果表明,伴随方法可有效应用于高超声速进气道优化。     

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.     

二元高超声速进气道的内压段设计

针对二元高超声速进气道,采用不同张度的样条曲线设计内压段肩部型面.在保持二元进气道内压段面积收缩比及喉道面积不变的条件下,通过数值仿真研究了不同内压段长度、下壁面型面样条曲线张度对进气道性能的影响.结果表明:内压段的长度变化对进气道的气动及起动性能有较大影响,当内压段长度与喉道高度比 L/h_t为8.4左右时总压恢复系数较优;采用合适张度的样条曲线代替传统的肩部圆弧过渡,能够提高进气道总压恢复系数,改善进气道起动性能;随着内压段长度增加,其所对应的性能最优样条线张度值不断减小,建议选取样条线张度值为0.80~1.25.