馬赫數(shù)分布可控的高超聲速內(nèi)收縮進(jìn)氣道及其一體化設(shè)計(jì)研究.pdf

1、高性能的高超聲速進(jìn)氣道是超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)乃至整個(gè)高超飛行器成功的關(guān)鍵，而三維內(nèi)收縮進(jìn)氣道以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)成為目前備受關(guān)注的高超聲速進(jìn)氣道類型。國(guó)內(nèi)外，三維內(nèi)收縮進(jìn)氣道的設(shè)計(jì)技術(shù)正在不斷發(fā)展，但還未形成完備的設(shè)計(jì)思路和方法，而內(nèi)收縮進(jìn)氣道與乘波前體的一體化設(shè)計(jì)仍處在概念研究階段。因此，開展三維內(nèi)收縮進(jìn)氣道及其與乘波前體一體化新的設(shè)計(jì)概念和設(shè)計(jì)方法研究對(duì)推動(dòng)我國(guó)近空間高超飛行器技術(shù)的發(fā)展意義重大。
　　現(xiàn)有的高超聲速內(nèi)收縮進(jìn)氣道設(shè)計(jì)方法具

2、有較大的局限性，本文在對(duì)其深入分析的基礎(chǔ)上，提出了馬赫數(shù)分布可控的內(nèi)收縮進(jìn)氣道設(shè)計(jì)概念。眾所周知，設(shè)計(jì)內(nèi)收縮進(jìn)氣道的關(guān)鍵在于基準(zhǔn)流場(chǎng)，文中采用有旋特征線理論，建立了比較系統(tǒng)的馬赫數(shù)分布可控基準(zhǔn)流場(chǎng)的反設(shè)計(jì)方法。另外，將這種設(shè)計(jì)概念拓展到乘波前體設(shè)計(jì)中，提出了馬赫數(shù)分布可控的乘波前體設(shè)計(jì)方法并與內(nèi)收縮進(jìn)氣道實(shí)現(xiàn)了一體化設(shè)計(jì)。本文的研究工作主要包括以下幾個(gè)方面：
　　首先，針對(duì)典型的“兩波三區(qū)”軸對(duì)稱基準(zhǔn)流場(chǎng)，提出了馬赫數(shù)分布可控的反

3、設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)了給定壓縮面馬赫數(shù)分布的基準(zhǔn)流場(chǎng)反設(shè)計(jì)。這種基準(zhǔn)流場(chǎng)可以通過控制壓縮面的馬赫數(shù)分布來達(dá)到對(duì)流場(chǎng)內(nèi)部馬赫數(shù)空間分布的控制。另外，對(duì)不同馬赫數(shù)分布規(guī)律的基準(zhǔn)流場(chǎng)進(jìn)行研究，總結(jié)了這類基準(zhǔn)流場(chǎng)特征并得到了主要設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)基準(zhǔn)流場(chǎng)幾何與總體性能參數(shù)的影響規(guī)律并分析了粘性對(duì)基準(zhǔn)流場(chǎng)的影響，其中反正切馬赫數(shù)分布基準(zhǔn)流場(chǎng)的綜合性能最優(yōu)，對(duì)其進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化可以進(jìn)一步提升總體性能，這些為后續(xù)內(nèi)收縮進(jìn)氣道的設(shè)計(jì)和研究奠定了基礎(chǔ)。
　　接著，

4、基于馬赫數(shù)分布可控的軸對(duì)稱基準(zhǔn)流場(chǎng)，采用流線追蹤技術(shù)設(shè)計(jì)了內(nèi)收縮進(jìn)氣道并進(jìn)行數(shù)值仿真研究，結(jié)果表明：粘性修正后的內(nèi)收縮進(jìn)氣道的波系特征與基準(zhǔn)流場(chǎng)基本一致而且較好地保持基準(zhǔn)流場(chǎng)的馬赫數(shù)分布規(guī)律，該進(jìn)氣道幾乎可以全流量捕獲來流，合理地選取基準(zhǔn)流場(chǎng)的馬赫數(shù)分布可以設(shè)計(jì)出高性能的內(nèi)收縮進(jìn)氣道，在多種馬赫數(shù)分布規(guī)律中發(fā)現(xiàn)基于優(yōu)化的反正切馬赫數(shù)分布基準(zhǔn)流場(chǎng)設(shè)計(jì)的內(nèi)收縮進(jìn)氣道在寬?cǎi)R赫數(shù)范圍內(nèi)總體性能良好。為改善出口流場(chǎng)品質(zhì)，在內(nèi)收縮進(jìn)氣道下洗氣流集中

5、區(qū)域開槽對(duì)減小出口渦流效果顯著，在分離區(qū)開槽可以以較小的流量損失有效提升起動(dòng)性能。
　　其次，提出了馬赫數(shù)分布可控的“四波四區(qū)”軸對(duì)稱基準(zhǔn)流場(chǎng)設(shè)計(jì)方法，并采用四段修型的彌散反射激波中心體，這樣不但降低了基準(zhǔn)流場(chǎng)中前緣入射激波強(qiáng)度而且也降低了反射激波強(qiáng)度，使“四波四區(qū)”軸對(duì)稱基準(zhǔn)流場(chǎng)的壓縮效率明顯提高，綜合以上設(shè)計(jì)思想設(shè)計(jì)了反正切馬赫數(shù)分布的彌散反射激波中心體“四波四區(qū)”軸對(duì)稱基準(zhǔn)流場(chǎng)，并基于該基準(zhǔn)流場(chǎng)設(shè)計(jì)了方轉(zhuǎn)圓內(nèi)收縮進(jìn)氣道進(jìn)行風(fēng)

6、洞實(shí)驗(yàn)：實(shí)驗(yàn)表明設(shè)計(jì)點(diǎn)和非設(shè)計(jì)點(diǎn)時(shí)進(jìn)氣道頂板的壓力分布均具有反正切曲線特征，總體性能優(yōu)良而且出口渦流區(qū)較小，設(shè)計(jì)點(diǎn) Ma=6.0時(shí)出口總壓恢復(fù)系數(shù)達(dá)到0.561，增壓比為26.2，主流區(qū)約占出口截面的三分之二，表明上述設(shè)計(jì)方法可行有效。在進(jìn)氣道頂板開槽放氣不但減小了渦流區(qū)而且提高了抗反壓能力。
　　再次，提出了給定激波配置的基準(zhǔn)流場(chǎng)設(shè)計(jì)方法，該方法可以進(jìn)一步提高馬赫數(shù)分布可控軸對(duì)稱基準(zhǔn)流場(chǎng)的設(shè)計(jì)靈活性，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)基準(zhǔn)流場(chǎng)中激波壓縮

7、與等熵壓縮比例的主動(dòng)調(diào)整，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了單入射激波的“兩波三區(qū)”基準(zhǔn)流場(chǎng)和雙入射激波交于中心體前緣點(diǎn)的“三波四區(qū)”基準(zhǔn)流場(chǎng)，二者都具有較高的壓縮效率?；陔p彎曲入射激波基準(zhǔn)流場(chǎng)設(shè)計(jì)的內(nèi)收縮進(jìn)氣道在設(shè)計(jì)點(diǎn)和非設(shè)計(jì)點(diǎn)都具有高的壓縮效率和流量捕獲特性。另外，基于該基準(zhǔn)流場(chǎng)設(shè)計(jì)的乘波前體與內(nèi)收縮進(jìn)氣道一體化構(gòu)型實(shí)現(xiàn)了前體和進(jìn)氣道雙重內(nèi)乘波。
　　最后，提出了馬赫數(shù)分布可控的外錐形基準(zhǔn)流場(chǎng)反設(shè)計(jì)方法以提高基準(zhǔn)流場(chǎng)的可控性，該基準(zhǔn)流場(chǎng)可以在