自適應(yīng)連通逆向回流槽進(jìn)氣道設(shè)計(jì)方法
【專(zhuān)利摘要】自適應(yīng)連通逆向回流槽進(jìn)氣道設(shè)計(jì)方法，涉及高超聲速進(jìn)氣道。包括以下步驟：步驟一：獲取初始高超聲速進(jìn)氣道；步驟二：確定分離包位置；步驟三：布置自適應(yīng)連通逆向回流槽首先基于彎曲激波理論設(shè)計(jì)出二元進(jìn)氣道，根據(jù)給定設(shè)計(jì)攻角范圍，通過(guò)CFD數(shù)值計(jì)算分別獲得零攻角、最大正攻角兩種狀態(tài)下的分離包位置。在此基礎(chǔ)上，以零攻角狀態(tài)下的分離包前緣點(diǎn)為中點(diǎn)，最大正攻角狀態(tài)下的分離包前緣點(diǎn)為端點(diǎn)布置自適應(yīng)連通逆向回流槽。在給定的攻角范圍內(nèi)能夠自適應(yīng)地減小進(jìn)氣道的分離包，提高進(jìn)氣道的起動(dòng)能力，為進(jìn)氣道設(shè)計(jì)提供了新思路。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
自適應(yīng)連通逆向回流槽進(jìn)氣道設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及高超聲速進(jìn)氣道，尤其是涉及一種自適應(yīng)連通逆向回流槽進(jìn)氣道設(shè)計(jì)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]高超聲速進(jìn)氣道是超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的重要組成部分，主要為超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)提供高壓低速的均勻來(lái)流，其性能優(yōu)劣直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的推力特性。在高空飛行過(guò)程中，馬赫數(shù)降低、飛行攻角變化或燃燒室壓力擾動(dòng)等因素會(huì)導(dǎo)致高超聲速進(jìn)氣道流量捕獲能力、總壓恢復(fù)、壓縮效率都不同程度降低，使得進(jìn)氣道進(jìn)入不起動(dòng)狀態(tài)(劉紅.高超聲速進(jìn)氣道自起動(dòng)規(guī)律研究[D].中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，2013.)。而在實(shí)際應(yīng)用中，高超聲速進(jìn)氣道的不起動(dòng)狀態(tài)往往難以避免的，因此產(chǎn)生了以下兩類(lèi)提高進(jìn)氣道自起動(dòng)性能的方法:
[0003]第一類(lèi)是變幾何方法，即通過(guò)改變進(jìn)氣道幾何收縮比來(lái)匹配不同來(lái)流馬赫數(shù)，通常用于超聲速進(jìn)氣道，如轉(zhuǎn)動(dòng)唇罩(二元進(jìn)氣道)、平移唇罩(側(cè)壓式進(jìn)氣道)、平移中心體(軸對(duì)稱(chēng)進(jìn)氣道)。該類(lèi)方法可以降低進(jìn)氣道起動(dòng)馬赫數(shù)，但是附加的復(fù)雜結(jié)構(gòu)使其難以應(yīng)用于高超聲速進(jìn)氣道。
[0004]第二類(lèi)是定幾何方法，一般采用附面層抽吸。通過(guò)順向開(kāi)槽，將低馬赫數(shù)下的附面層排出進(jìn)氣道，實(shí)現(xiàn)進(jìn)氣道起動(dòng)。但是當(dāng)馬赫數(shù)較高時(shí)，入口高速氣流也會(huì)從槽中排出，加劇流量損失。對(duì)此，采用逆向泄流槽的抽吸概念，在進(jìn)氣道不起動(dòng)時(shí)，泄流槽由于壓差作用開(kāi)啟，將低能氣流排出進(jìn)氣道；當(dāng)進(jìn)氣道起動(dòng)后，因?yàn)殚_(kāi)槽方向與氣流流向相反，損失的流量較少(潘成劍，李怡慶，安平，等.逆向泄流槽在三維內(nèi)乘波式進(jìn)氣道中的應(yīng)用[J].燃?xì)鉁u輪試驗(yàn)與研究，2013(6):40-45.)。
[0005]自適應(yīng)連通逆向回流槽在逆向泄流槽的基礎(chǔ)上構(gòu)建回流通道，根據(jù)不同攻角下分離包的位置來(lái)布置逆向泄流槽，使其具備自適應(yīng)攻角變化的能力。該設(shè)計(jì)方法能拓寬進(jìn)氣道工作范圍且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)高超聲速進(jìn)氣道的設(shè)計(jì)以及應(yīng)用有參考價(jià)值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于提供一種自適應(yīng)連通逆向回流槽進(jìn)氣道設(shè)計(jì)方法。
[0007]本發(fā)明包括以下步驟:
[0008]步驟一:獲取初始高超聲速進(jìn)氣道；
[0009]在步驟一中，所述獲取初始高超聲速進(jìn)氣道的具體方法可為:
[0010]I)首先設(shè)計(jì)二元進(jìn)氣道的基本構(gòu)型;所述二元進(jìn)氣道的基本構(gòu)型包括尖劈、彎曲激波壓縮型線等熵段、彎曲激波壓縮型線直線段、入射彎曲激波和進(jìn)氣道唇口；所述入射彎曲激波是由尖劈產(chǎn)生的斜激波與彎曲激波壓縮型線等熵段產(chǎn)生的馬赫波系交匯所致，且最后與唇口相切；
[0011]2)在獲得二元進(jìn)氣道的基本構(gòu)型后，根據(jù)進(jìn)氣道設(shè)計(jì)流量、馬赫數(shù)、流量系數(shù)和飛行高度，求得進(jìn)口面積，再由進(jìn)口面積與基準(zhǔn)流場(chǎng)進(jìn)口高度計(jì)算得到二元進(jìn)氣道的寬度，最后拉伸得到初始高超聲速進(jìn)氣道。
[0012]步驟二:確定分離包位置；
[0013]在步驟二中，所述確定分離包位置的方法可為:借助CFD軟件，根據(jù)設(shè)計(jì)的馬赫數(shù)和高度等已知條件，計(jì)算步驟一生成的初始高超聲速進(jìn)氣道在零攻角狀態(tài)和最大正攻角狀態(tài)下的分離包位置。
[0014]步驟三:布置自適應(yīng)連通逆向回流槽；
[0015]在步驟三中，所述布置自適應(yīng)連通逆向回流槽的方法可為:通過(guò)步驟二獲得的分離包，可以確定分離包前緣點(diǎn)產(chǎn)生誘導(dǎo)激波的位置，選取奇數(shù)個(gè)等間距的泄流槽，并將位于中間的泄流槽與零攻角狀態(tài)的分離包前緣點(diǎn)重合，將最右邊的泄流槽與最大正攻角狀態(tài)下的分離包前緣點(diǎn)重合，使得泄流槽沿最大攻角狀態(tài)下分離包前緣點(diǎn)與其關(guān)于零攻角狀態(tài)下分離包前緣點(diǎn)的對(duì)稱(chēng)點(diǎn)均勻分布。
[0016]所述自適應(yīng)連通逆向回流槽的回流通道與高壓區(qū)泄流槽、低壓區(qū)泄流槽等寬，泄流槽長(zhǎng)度為寬度的4倍。分離激波后的高壓區(qū)氣流，從位于高壓區(qū)的泄流槽進(jìn)入回流通道，再?gòu)膬膳缘蛪簠^(qū)的泄流槽流出，從而實(shí)現(xiàn)減小分離區(qū)的目的。
[0017]本發(fā)明首先基于彎曲激波理論設(shè)計(jì)出二元進(jìn)氣道，根據(jù)給定設(shè)計(jì)攻角范圍，通過(guò)CFD數(shù)值計(jì)算分別獲得零攻角、最大正攻角兩種狀態(tài)下的分離包位置。在此基礎(chǔ)上，以零攻角狀態(tài)下的分離包前緣點(diǎn)為中點(diǎn)，最大正攻角狀態(tài)下的分離包前緣點(diǎn)為端點(diǎn)布置自適應(yīng)連通逆向回流槽。
[0018]本發(fā)明的主要原理如下:
[0019]在零攻角狀態(tài)下，自適應(yīng)連通逆向回流槽的中心為高壓區(qū)，兩側(cè)為低壓區(qū)。在壓差的作用下，分離包由中間向兩邊的逆向泄流槽排放。隨著來(lái)流攻角增大，分離包的位置逐漸前移，此時(shí)最大正攻角側(cè)的逆向泄流槽變成高壓區(qū)，同樣在壓差的作用下，將分離包排至低壓區(qū)。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)對(duì)攻角變化的自適應(yīng)，為新型進(jìn)氣道設(shè)計(jì)提供了新的思路。
[0020]本發(fā)明首先按照彎曲激波理論設(shè)計(jì)出二元高超聲速進(jìn)氣道的模型，根據(jù)給定設(shè)計(jì)攻角范圍，然后采用CR)分別對(duì)來(lái)流零攻角和最大正攻角條件下的高超聲速進(jìn)氣道進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，分析獲得進(jìn)氣道分離包的具體位置。并以零攻角狀態(tài)下的分離包前緣點(diǎn)為中點(diǎn)，最大正攻角狀態(tài)下的分離包前緣點(diǎn)為端點(diǎn)布置自適應(yīng)連通逆向回流槽。在零攻角狀態(tài)下，自適應(yīng)連通逆向回流槽的中心為高壓區(qū)，由于壓差的作用，分離包由中間向兩邊的逆向泄流槽排放。隨著來(lái)流攻角增大，分離包會(huì)不斷外移，此時(shí)最大正攻角側(cè)的逆向泄流槽變成高壓區(qū)，同樣在壓差的作用下，將分離包排至低壓區(qū)。本發(fā)明在給定的攻角范圍內(nèi)能夠自適應(yīng)地減小進(jìn)氣道的分離包，提高進(jìn)氣道的起動(dòng)能力，為新型進(jìn)氣道設(shè)計(jì)提供了新的思路。
[0021 ]本發(fā)明的主要優(yōu)點(diǎn)如下:
[0022]自適應(yīng)連通逆向回流槽進(jìn)氣道設(shè)計(jì)方法在逆向泄流槽的基礎(chǔ)上，將各逆向泄流槽連通，在分離包的高壓區(qū)及低壓區(qū)之間構(gòu)建回流通道，利用高低壓區(qū)的壓差將附面層回流至低壓區(qū)，達(dá)到減小分離包的目的。自適應(yīng)連通逆向回流槽的進(jìn)氣道在不起動(dòng)狀態(tài)下，由于分離包的存在，自動(dòng)開(kāi)啟回流。而當(dāng)進(jìn)氣道起動(dòng)之后，并不存在分離，因?yàn)槟嫦蛐沽鞑鄣拈_(kāi)槽方向與流向相反，回流幾乎停滯。整個(gè)回流過(guò)程遵循流量守恒，沒(méi)有流量損失，并不需要增加流量捕獲。此外，由于考慮到攻角變化對(duì)進(jìn)氣道起動(dòng)馬赫數(shù)的影響，以零攻角狀態(tài)下計(jì)算得到的分離包前緣點(diǎn)為中點(diǎn)布置自適應(yīng)連通逆向回流槽，進(jìn)一步拓寬了進(jìn)氣道的工作范圍。
【附圖說(shuō)明】
[0023]圖1是二元進(jìn)氣道基本構(gòu)型圖；
[0024]圖2是未設(shè)置自適應(yīng)連通逆向回流槽的三維進(jìn)氣道示意圖；
[0025]圖3是設(shè)置自適應(yīng)連通逆向回流槽的進(jìn)氣道半剖圖；
[0026]圖4是設(shè)置自適應(yīng)連通逆向回流槽的進(jìn)氣道示意圖；
[0027]圖5是自適應(yīng)連通逆向回流槽零攻角狀態(tài)圖；
[0028]圖6是自適應(yīng)連通逆向回流槽最大正攻角狀態(tài)圖。
[0029]圖中各標(biāo)記為:I表示高超聲速氣流方向，2表示入射彎曲激波，3表示未設(shè)置自適應(yīng)連通逆向回流槽的二元進(jìn)氣道分離包誘導(dǎo)產(chǎn)生的前緣分離激波，4表示未設(shè)置自適應(yīng)連通逆向回流槽的二元進(jìn)氣道分離包，5表示二元進(jìn)氣道唇口，6表示二元進(jìn)氣道彎曲激波壓縮型線等熵段，7表示二元進(jìn)氣道彎曲激波壓縮型線直線段，8表示尖劈，9表示自適應(yīng)連通逆向回流槽，10表示二元進(jìn)氣道彎曲激波壓縮型面等熵段，11表示二元進(jìn)氣道彎曲激波壓縮型面直線段，12表示回流通道，13表示位于高壓區(qū)的泄流槽，14表示位于低壓區(qū)的泄流槽。
【具體實(shí)施方式】
[0030]以下實(shí)施例將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。
[0031 ]自適應(yīng)連通逆向回流槽的進(jìn)氣道設(shè)計(jì)方法，涉及新型高超聲速進(jìn)氣道，屬于高超聲速飛行器的技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明外壓段選擇彎曲激波壓縮面，高速氣流經(jīng)過(guò)壓縮面前緣會(huì)形成一道較弱的斜激波，斜激波與外壓段等熵面所形成的馬赫波系相交，激波角逐漸增大，最后發(fā)展成凹型彎曲激波，而且越往后激波強(qiáng)度越大。該型面可以實(shí)現(xiàn)對(duì)壓縮面的壓升規(guī)律控制。此方法相較多楔壓縮面具有更高的總壓恢復(fù)，相較等熵壓縮面具有更短的長(zhǎng)度，是一種折衷的二元進(jìn)氣道設(shè)計(jì)方法。在獲得二元進(jìn)氣道后，根據(jù)所需流量設(shè)計(jì)出進(jìn)氣道三維構(gòu)型，然后通過(guò)CFD計(jì)算獲得分離包位置，最后設(shè)置自適應(yīng)連通逆向回流槽。
[0032]步驟一:獲取初始高超聲速進(jìn)氣道。本發(fā)明首先設(shè)計(jì)二元進(jìn)氣道所需基本構(gòu)型，基本構(gòu)型包括尖劈8、彎曲激波壓縮型線等熵段6、彎曲激波壓縮型線直線段7、入射彎曲激波2以及進(jìn)氣道唇口 5。其中入射彎曲激波2是由尖劈8產(chǎn)生的彎曲激波壓縮型線等熵段6產(chǎn)生的馬赫波系交匯所致，且最后與唇口 5相切。
[0033]在獲得二元進(jìn)氣道的基本構(gòu)型后，根據(jù)進(jìn)氣道設(shè)計(jì)流量、設(shè)計(jì)馬赫數(shù)、流量系數(shù)以及設(shè)計(jì)飛行高度求得進(jìn)口面積。由進(jìn)口面積與基準(zhǔn)流場(chǎng)進(jìn)口高度計(jì)算得到二元進(jìn)氣道的寬度。最后拉伸得到初始的高超聲速進(jìn)氣道，詳見(jiàn)圖2。
[0034]步驟二:確定分離包的位置。從圖1可以看出，進(jìn)氣道在低于起動(dòng)馬赫數(shù)下工作時(shí)，由于激波/邊界層干擾，會(huì)在喉道前方形成分離包4。所產(chǎn)生的分離包4前緣誘導(dǎo)生成分離激波3，該分離激波3上游的超聲速來(lái)流I受激波3干擾發(fā)生偏轉(zhuǎn)，從唇口 5上方流出，導(dǎo)致進(jìn)氣道實(shí)際捕獲流量下降，不能滿足發(fā)動(dòng)機(jī)的需求，最終不能起動(dòng)。借助CFD軟件，根據(jù)設(shè)計(jì)馬赫數(shù)、設(shè)計(jì)高度等已知條件，計(jì)算步驟一生成的初始高超聲速進(jìn)氣道在零攻角狀態(tài)(見(jiàn)圖5)和最大正攻角狀態(tài)(見(jiàn)圖6)下的分離包位置。
[0035]步驟三:布置自適應(yīng)連通逆向回流槽。通過(guò)步驟二獲得的分離包4，可以確定分離包前緣點(diǎn)產(chǎn)生誘導(dǎo)激波3的位置。選取奇數(shù)個(gè)等間距的泄流槽，并將位于中間的泄流槽與零攻角狀態(tài)的分離包前緣點(diǎn)重合，將最右邊的泄流槽與最大正攻角狀態(tài)下的分離包前緣點(diǎn)重合，使得泄流槽沿最大攻角狀態(tài)下分離包前緣點(diǎn)與其關(guān)于零攻角狀態(tài)下分離包前緣點(diǎn)的對(duì)稱(chēng)點(diǎn)均勻分布(參見(jiàn)圖3?6)。本發(fā)明所設(shè)計(jì)的自適應(yīng)連通逆向回流槽，其回流通道12與高壓區(qū)泄流槽13、低壓區(qū)泄流槽14等寬，泄流槽長(zhǎng)度為寬度的4倍。從圖5可以看出，分離激波3后的高壓區(qū)氣流，從位于高壓區(qū)的泄流槽13進(jìn)入回流通道12，再?gòu)膬膳缘蛪簠^(qū)的泄流槽14流出，從而實(shí)現(xiàn)減小分離區(qū)的目的。
[0036]以下給出具體實(shí)施例:
[0037]選取基于彎曲激波理論設(shè)計(jì)出的二元進(jìn)氣道為研究對(duì)象，假設(shè)進(jìn)氣道隨飛行器零攻角飛行，飛行馬赫數(shù)為3，飛行高度13.5km。通過(guò)CR)數(shù)值計(jì)算研究分析，發(fā)現(xiàn)未設(shè)置自適應(yīng)連通逆向回流槽的進(jìn)氣道在進(jìn)氣道入口處附近出現(xiàn)了分離包，進(jìn)氣道不能起動(dòng)。在此基礎(chǔ)上，采用自適應(yīng)連通逆向回流槽(參見(jiàn)圖5)，所用泄流槽共5個(gè)，與水平方向夾角為45°，其尺寸均為16mmX4mm。零攻角與最大正攻角狀態(tài)下的分離包前緣點(diǎn)間距為100mm，泄流槽共5個(gè)，因此將兩槽間距設(shè)為50mm。所用回流通道寬為4臟，兩端分別用半徑20mm、10mm的圓弧倒角過(guò)渡。第三個(gè)泄流槽的中點(diǎn)與之前CFD計(jì)算得到的分離包前緣基本重合。同理，對(duì)帶有自適應(yīng)連通逆向回流槽的二元進(jìn)氣道進(jìn)行CR)數(shù)值計(jì)算，結(jié)果表明二元進(jìn)氣道在該馬赫數(shù)下能夠起動(dòng)，且在最大正攻角下分離包也能被消除。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.自適應(yīng)連通逆向回流槽進(jìn)氣道設(shè)計(jì)方法，其特征在于包括以下步驟: 步驟一:獲取初始高超聲速進(jìn)氣道； 步驟二:確定分離包位置； 步驟三:布置自適應(yīng)連通逆向回流槽。2.如權(quán)利要求1所述自適應(yīng)連通逆向回流槽進(jìn)氣道設(shè)計(jì)方法，其特征在于在步驟一中，所述獲取初始高超聲速進(jìn)氣道的具體方法為: 1)首先設(shè)計(jì)二元進(jìn)氣道的基本構(gòu)型；所述二元進(jìn)氣道的基本構(gòu)型包括尖劈、彎曲激波壓縮型線等熵段、彎曲激波壓縮型線直線段、入射彎曲激波和進(jìn)氣道唇口；所述入射彎曲激波是由尖劈產(chǎn)生的斜激波與彎曲激波壓縮型線等熵段產(chǎn)生的馬赫波系交匯所致，最后與唇口相切； 2)在獲得二元進(jìn)氣道的基本構(gòu)型后，根據(jù)進(jìn)氣道設(shè)計(jì)流量、馬赫數(shù)、流量系數(shù)和飛行高度，求得進(jìn)口面積，再由進(jìn)口面積與基準(zhǔn)流場(chǎng)進(jìn)口高度計(jì)算得到二元進(jìn)氣道的寬度，最后拉伸得到初始高超聲速進(jìn)氣道。3.如權(quán)利要求1所述自適應(yīng)連通逆向回流槽進(jìn)氣道設(shè)計(jì)方法，其特征在在步驟二中，所述確定分離包位置的方法為:借助CFD軟件，根據(jù)馬赫數(shù)和高度，計(jì)算步驟一生成的初始高超聲速進(jìn)氣道在零攻角狀態(tài)和最大正攻角狀態(tài)下的分離包位置。4.如權(quán)利要求1所述自適應(yīng)連通逆向回流槽進(jìn)氣道設(shè)計(jì)方法，其特征在在步驟三中，所述布置自適應(yīng)連通逆向回流槽的方法為:通過(guò)步驟二獲得的分離包，確定分離包前緣點(diǎn)產(chǎn)生誘導(dǎo)激波的位置，選取奇數(shù)個(gè)等間距的泄流槽，并將位于中間的泄流槽與零攻角狀態(tài)的分離包前緣點(diǎn)重合，將最右邊的泄流槽與最大正攻角狀態(tài)下的分離包前緣點(diǎn)重合，使得泄流槽沿最大攻角狀態(tài)下分離包前緣點(diǎn)與其關(guān)于零攻角狀態(tài)下分離包前緣點(diǎn)的對(duì)稱(chēng)點(diǎn)均勻分布O5.如權(quán)利要求4所述自適應(yīng)連通逆向回流槽進(jìn)氣道設(shè)計(jì)方法，其特征在所述自適應(yīng)連通逆向回流槽的回流通道與高壓區(qū)泄流槽、低壓區(qū)泄流槽等寬，泄流槽長(zhǎng)度為寬度的4倍，分離激波后的高壓區(qū)氣流，從位于高壓區(qū)的泄流槽進(jìn)入回流通道，再?gòu)膬膳缘蛪簠^(qū)的泄流槽流出，從而實(shí)現(xiàn)減小分離區(qū)的目的。
【文檔編號(hào)】F02C7/04GK106021831SQ201610591855
【公開(kāi)日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年7月26日
【發(fā)明人】王李璨, 李怡慶, 施崇廣, 周馴黃, 尤延鋮
【申請(qǐng)人】廈門(mén)大學(xué)