本發(fā)明屬于飛行器進(jìn)氣道設(shè)計(jì)領(lǐng)域，具體涉及一種低出口畸變的高馬赫數(shù)內(nèi)轉(zhuǎn)進(jìn)氣道設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)：

1、吸氣式高超聲速飛行器因在速度、航程和突防能力方面卓越的優(yōu)勢，而成為各航空航天大國的一個研究熱點(diǎn)。作為核心動力裝置的超燃沖壓發(fā)動機(jī)，其對進(jìn)入燃燒室的氣流品質(zhì)具有較高的要求，而進(jìn)氣道作為吸氣式推進(jìn)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件之一，對發(fā)動機(jī)的氣流品質(zhì)起主要的影響作用。

2、相比于常規(guī)的二元進(jìn)氣道、軸對稱進(jìn)氣道等高超聲速進(jìn)氣道，內(nèi)轉(zhuǎn)進(jìn)氣道因其具有更高的氣流捕獲能力、更高的氣流壓縮效率、更少的總壓損失、更小的浸潤面積和較廣的適應(yīng)性，近年來被廣泛應(yīng)用到高超聲速飛行器中。但在高馬赫數(shù)來流(馬赫數(shù)8及以上)以及大攻角大側(cè)滑角等工況下，進(jìn)氣道出口流場不均勻，總壓、溫度、馬赫數(shù)等參數(shù)存在較大畸變，會極大影響燃燒室以及發(fā)動機(jī)工作穩(wěn)定性。故有必要從設(shè)計(jì)方法入手，改善進(jìn)氣道出口流場均勻度，降低畸變程度。

3、李永洲等“非均勻來流的馬赫數(shù)可控內(nèi)收縮進(jìn)氣道設(shè)計(jì)[j].航空學(xué)報(bào),2023,44(12):162-174.”在來流馬赫數(shù)和壁面馬赫數(shù)分布規(guī)律同時給定的前提下，發(fā)展了一種來流非均勻的馬赫數(shù)分布可控內(nèi)收縮進(jìn)氣道設(shè)計(jì)方法。雖然實(shí)現(xiàn)了對整個流場的馬赫數(shù)分布控制且壓縮效率較高，但其在喉道和出口馬赫數(shù)均勻性仍然較差。王衛(wèi)星等“基于渦流發(fā)生器的內(nèi)轉(zhuǎn)式進(jìn)氣道流場組織研究[j/ol].推進(jìn)技術(shù),1-18[2024-07-16].”將渦流發(fā)生器引入到內(nèi)轉(zhuǎn)進(jìn)氣道設(shè)計(jì)中，發(fā)現(xiàn)渦流發(fā)生器誘導(dǎo)形成反向漩渦，減弱了壓縮面?zhèn)攘飨驕u強(qiáng)度，有效提升了進(jìn)氣道流場均勻度。但該研究設(shè)計(jì)點(diǎn)為低馬赫數(shù)，來流馬赫數(shù)增加時其性能會急劇下降，且引入渦流發(fā)生器還存在實(shí)際工程應(yīng)用的結(jié)構(gòu)問題。

4、目前，大多數(shù)內(nèi)轉(zhuǎn)進(jìn)氣道都是在設(shè)計(jì)點(diǎn)馬赫數(shù)ma7以下進(jìn)行設(shè)計(jì)的，并且其基準(zhǔn)流場采用的是傳統(tǒng)壁面壓升規(guī)律，這些進(jìn)氣道出口流場畸變較大，均勻度較差。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于基于一種低出口畸變的基準(zhǔn)流場，提供一種高馬赫數(shù)內(nèi)轉(zhuǎn)進(jìn)氣道的設(shè)計(jì)方法，進(jìn)而提升內(nèi)轉(zhuǎn)進(jìn)氣道在高馬赫數(shù)來流下的出口均勻度。

2、實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為：一種低出口畸變的高馬赫數(shù)內(nèi)轉(zhuǎn)進(jìn)氣道設(shè)計(jì)方法，包括如下步驟：

3、步驟(1)：設(shè)計(jì)內(nèi)轉(zhuǎn)進(jìn)氣道基準(zhǔn)流場：給定基準(zhǔn)體壓縮壁面的壓升分布規(guī)律，指定基準(zhǔn)體入口半徑ri、中心體半徑r以及前緣壓縮角δi，給定來流馬赫數(shù)ma和飛行高度h，通過特征線法moc求解出無粘基準(zhǔn)流場的流場結(jié)構(gòu)；

4、步驟(2)：生成進(jìn)氣道型面：提取步驟(1)得到的無粘基準(zhǔn)流場的流線數(shù)據(jù)，給定捕獲型線，對型線進(jìn)行離散，運(yùn)用流線追蹤方法，得到進(jìn)氣道型面所需的數(shù)據(jù)點(diǎn)，對數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行擬合，得到初始生成的進(jìn)氣道型面；

5、步驟(3)：對生成的進(jìn)氣道型面修型：對步驟(2)得到的初始進(jìn)氣道型面的內(nèi)通道段至出口段進(jìn)行幾何修型，使其滿足規(guī)則矩形出口，完成內(nèi)轉(zhuǎn)進(jìn)氣道設(shè)計(jì)。

6、進(jìn)一步的，步驟(1)中的內(nèi)轉(zhuǎn)進(jìn)氣道基準(zhǔn)流場包括基準(zhǔn)體的壓縮壁面型線、前緣入射激波、中心體壁面型線、基準(zhǔn)流場出口和流場區(qū)域。

7、進(jìn)一步的，步驟(1)中給定的基準(zhǔn)體壓縮壁面的壓升分布規(guī)律具體為：

8、pw＝(cea(x-b)+c)ps

9、其中ps為前緣入射激波后靜壓，pw為基準(zhǔn)體壓縮壁面壓力，a、b、c為壁面壓升規(guī)律系數(shù)。

10、進(jìn)一步的，基準(zhǔn)流場設(shè)計(jì)點(diǎn)馬赫數(shù)為高馬赫數(shù)、即大于ma8，設(shè)計(jì)點(diǎn)空域?yàn)楦呖沼颉⒓锤哂?0km。

11、進(jìn)一步的，步驟(2)中的捕獲型線由捕獲高度hc和寬高比b控制。

12、進(jìn)一步的，步驟(2)得到的初始生成的進(jìn)氣道型面包括類鉗形的頂板、兩側(cè)的側(cè)板、類鉗形的唇口板，頂板、側(cè)板和唇口板的后半段組成的流道為進(jìn)氣道的內(nèi)通道段，內(nèi)通道段末端為出口，唇口板的前緣為唇口。

13、進(jìn)一步的，步驟(3)具體包括如下步驟：

14、步驟(31)：給定進(jìn)氣道出口高度h以及縮放比μ，結(jié)合步驟(2)中給定的捕獲型線控制理論出口流量，進(jìn)而控制流量系數(shù)；

15、步驟(32)：給定偏轉(zhuǎn)角σ，沿唇口后一側(cè)截去內(nèi)通道頂板、側(cè)板和唇口板到出口的部分：

16、步驟(33)：根據(jù)步驟(31)中給定的出口高度h以及縮放比μ沿進(jìn)氣道對稱面對進(jìn)氣道內(nèi)通道進(jìn)行幾何重構(gòu)，光滑過渡至規(guī)整的矩形出口。

17、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)在于：

18、本發(fā)明基于一種新型低出口畸變的內(nèi)轉(zhuǎn)基準(zhǔn)流場，在高馬赫數(shù)設(shè)計(jì)點(diǎn)下通過流線追蹤和幾何修型，實(shí)現(xiàn)了高馬赫數(shù)內(nèi)轉(zhuǎn)進(jìn)氣道型面設(shè)計(jì)；提出了一種新型的壁面壓升規(guī)律控制函數(shù)，通過控制壁面壓升規(guī)律以控制基準(zhǔn)流場出口壓力梯度，從而提升進(jìn)氣道出口流場均勻度。

19、本發(fā)明通過給定進(jìn)氣道出口高度h以及縮放比μ，經(jīng)簡單的幾何修型后能使異型進(jìn)氣道出口過渡為規(guī)整的矩形出口，有利于下游發(fā)動機(jī)燃燒室的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化，提升了發(fā)動機(jī)內(nèi)流一體化程度。

20、本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了高馬赫數(shù)下進(jìn)氣畸變小，流場均勻度好，拓寬了進(jìn)氣道工作范圍，且一體化程度高，無需額外結(jié)構(gòu)件，具有結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟(jì)性好、性能優(yōu)異、適配性好等巨大優(yōu)勢。

技術(shù)特征：

1.一種低出口畸變的高馬赫數(shù)內(nèi)轉(zhuǎn)進(jìn)氣道設(shè)計(jì)方法，其特征在于，包括如下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟(1)中的內(nèi)轉(zhuǎn)進(jìn)氣道基準(zhǔn)流場包括基準(zhǔn)體的壓縮壁面型線、前緣入射激波、中心體壁面型線、基準(zhǔn)流場出口和流場區(qū)域。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，步驟(1)中給定的基準(zhǔn)體壓縮壁面的壓升分布規(guī)律具體為：

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，基準(zhǔn)流場設(shè)計(jì)點(diǎn)馬赫數(shù)為高馬赫數(shù)、即大于ma8，設(shè)計(jì)點(diǎn)空域?yàn)楦呖沼?、即高?0km。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，步驟(2)中的捕獲型線由捕獲高度hc和寬高比b控制。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，步驟(2)得到的初始生成的進(jìn)氣道型面包括類鉗形的頂板、兩側(cè)的側(cè)板、類鉗形的唇口板，頂板、側(cè)板和唇口板的后半段組成的流道為進(jìn)氣道的內(nèi)通道段，內(nèi)通道段末端為出口，唇口板的前緣為唇口。

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，步驟(3)具體包括如下步驟：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明為一種低出口畸變的高馬赫數(shù)內(nèi)轉(zhuǎn)進(jìn)氣道設(shè)計(jì)方法。包括如下步驟：設(shè)計(jì)內(nèi)轉(zhuǎn)進(jìn)氣道基準(zhǔn)流場：給定基準(zhǔn)體壓縮壁面的壓升分布規(guī)律，指定基準(zhǔn)體入口半徑、中心體半徑以及前緣壓縮角，給定來流馬赫數(shù)和飛行高度，通過特征線法求解出無粘基準(zhǔn)流場的流場結(jié)構(gòu)；生成進(jìn)氣道型面：提取無粘基準(zhǔn)流場的流線數(shù)據(jù)，給定捕獲型線，對型線進(jìn)行離散，運(yùn)用流線追蹤方法，得到進(jìn)氣道型面所需的數(shù)據(jù)點(diǎn)，對數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行擬合，得到初始生成的進(jìn)氣道型面；對生成的進(jìn)氣道型面修型。本發(fā)明得到的內(nèi)轉(zhuǎn)進(jìn)氣道構(gòu)型可由壁面壓升規(guī)律函數(shù)和來流參數(shù)進(jìn)行控制，其出口畸變較小，在出口流場均勻度方面優(yōu)于常規(guī)方法設(shè)計(jì)的內(nèi)轉(zhuǎn)進(jìn)氣道。

技術(shù)研發(fā)人員：孫波,陳港毓,張義寧,周林,楊旭浩
受保護(hù)的技術(shù)使用者：南京理工大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/6