二元高超声速飞行器前体/进气道设计方法及气动特性研究

摘要

本文采用数值仿真的方法对二元高超声速前体/进气道一体化设计技术开展了研究，给出了基于圆锥截线、流线追踪和乘波-楔形组合的三种前体/进气道设计方法及流程，并对相关几何控制变量对气动性能的影响开展了三维数值仿真分析。
　　首先，设计了一种前体/进气道二维构型，开展了二维数值仿真研究。研究表明：进气道在不同来流马赫数Ma∞和飞行攻角α下，流动通道内无大分离，随着来流马赫数和飞行攻角的增加，前体/进气道静压比、流量系数逐渐增大，而总压恢复系数减小。
　　其次，在前体/进气道二维型面基础上，给出了以二次有理Bez ier形式圆锥截线为横向截面控制曲线的前体设计方法，并对不同几何控制变量对前体/进气道气动性能的影响开展了三维数值模拟研究，结果显示：在研究范围内，增大宽度比W1/W0、形状参数ρCD与水平控制曲线次数n，减小角度βDG、角度βCG，可减小前体展向压力梯度，减小横向溢流，提高前体/进气道的内流性能；增大角度βCF，减小形状参数ρBC，可减小阻力，增大升力，提高升阻比。据此，给出了一种结合前体可实现性约束下的前体/进气道气动设计方案，三维数值模拟分析显示：不同来流马赫数Ma∞下，静压比、总压恢复系数及流量系数相比二维流动的差值均在-5％~10%以内，在不同飞行攻角α下，静压比、总压恢复系数和流量系数相比二维流动的差值均在-5%~15%以内。
　　再次，在相同的前体/进气道二维型面基础上，给出了一种基于流线追踪的乘波前体/进气道设计思路，并对前体宽度比W1/W0，角度θ，上、下表面控制曲线次数nup和ndown对前体/进气道气动性能的影响开展了三维数值模拟分析，结果显示：相比于基于圆锥截线的前体构型，该构型第一级压缩段外压激波接近“附体”，进气道内通道宽度内沿展向压力梯度较小，第二、三级压缩段内接近为零，阻力较低，升阻比较高；增大W1/W0、角度θ和上表面控制曲线次数nup，减小下表面控制曲线次数ndown，可减小前体展向压力梯度，减小横向溢流，提高进气道的气动性能。
　　最后，基于一种乘波前体气动设计方案，开展了沿来流方向直切和阶梯切，构建了多个乘波-楔形组合前体/进气道设计方案，并对其开展了三维数值模拟分析，结果表明：在进气道侧壁对应的马赫锥位置之后对前体两侧进行直切和阶梯切，进气道内通道宽度范围内的前体外压激波基本不变，与进气道矩形进口匹配较好；直切和阶梯切对进气道内流气动性能影响较小，降低了前体/进气道的阻力系数、升力系数以及升阻比，提高了总压恢复系数；相比阶梯切，直切的阻力系数和总压恢复系数相对较小，而升力系数和升阻比则相对较高。

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注释表

缩略词

第一章 绪论

1. 1 研究背景及意义

1. 2 国内外研究动态

1. 3 本文的主要研究内容

第二章 前体/进气道二维型面设计及气动特性分析

2. 1 物理模型、网格及计算方法

2. 2 设计状态下的进气道二维气动特性

2. 3 不同来流马赫数下的进气道二维气动特性

2. 4 不同飞行攻角下的进气道二维气动特性

2. 5 小结

第三章 基于圆锥截线的前体/进气道设计方法及气动特性研究

3. 1 常见圆锥截线的数学表达形式

3. 2 基于圆锥截线的前体/进气道设计方法

3.3 前体宽度比W1/W0对前体/进气道气动性能的影响

3. 4 前体形状参数ρCD对进气道气动性能的影响

3. 5 前体角度βD G对进气道气动性能的影响

3. 6 前体角度βCG对进气道气动性能的影响

3. 7 前体角度βCF对进气道气动性能的影响

3.8 前体形状参数ρBC对进气道气动性能的影响

3. 9 前体控制曲线次数n对进气道气动性能的影响

3. 10 不同来流马赫数下的前体/进气道气动性能

3. 11 不同飞行攻角下的前体/进气道气动性能

3. 12 小结

第四章 基于流线追踪的乘波前体/进气道设计及气动特性研究

4. 1 基于流线追踪的前体/进气道气动设计

4.2 前体宽度比W1/W0对进气道气动性能的影响

4. 3 角度θ对进气道气动性能的影响

4.4 前体控制曲线次数ndown对进气道气动性能的影响

4. 5 控制曲线次数nup对进气道气动性能的影响

4. 6 小结

第五章 基于乘波-楔形组合的前体/进气道气动设计及性能研究

5. 1 基于乘波-楔形组合的前体/进气道气动设计

5. 2 不同直切起始位置对乘波-楔形组合前体/进气道的气动性能的影响

5. 3 不同阶梯切起始位置的乘波-楔形组合前体/进气道的气动特性

5. 4 小结

第六章 结论与展望

6. 1 本文的主要结论

6. 2 工作展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文

附录

1. 进气道二维流动的气动性能

2. 基于圆锥截线的前体/进气道的气动性能

3. 基于流线追踪的乘波前体/进气道的气动性能

4. 基于乘波- 楔形组合的前体/进气道的气动性能