截面激波形状可控的内乘波式进气道设计与性能分析

摘要

三维内收缩式高超声速进气道是近年来备受关注的一种具有独特优势的高速进气道。南京航空航天大学内流研究中心在国际上自主创新地提出了一种新型三维内收缩式进气道--内乘波式进气道,并对其开展了系列研究。前期的数值模拟与风洞试验的研究结果都表明,内乘波式进气道具有较高的综合性能。
　　 本文在此方向上,立足于现有的内乘波式进气道研究基础,提出了截面激波形状可控的内乘波式进气道设计概念和方法,并开展了典型该类进气道的数值研究。此外,本文还对比了内乘波式进气道与侧压式进气道的综合性能,初步分析了内乘波式进气道的起动性能影响因素。全文工作主要包括以下几个方面:
　　 (1)提出了截面激波形状可控的内乘波式进气道设计概念与方法,通过轴对称中心线位置的变化实现了对进气道横截面激波形状的控制,并以ICFC流场为基本流场,完成了三维进气道造型程序的编制。
　　 (2)在来流马赫5的条件下完成了一种进出口均为矩形的截面激波形状可控内乘波式进气道方案设计。三维粘性计算结果表明:设计状态下该进气道可以达到0.998的流量系数,总压恢复系数达到0.6155,进气道出口压比为17.6,出口马赫数为2.5,且横截面激波形状也实现了设计目的,由三段曲线组成。
　　 (3)在包含攻角、侧滑和低马赫数在内的非设计状态下分析了进气道的性能参数和流场特征。数值结果表明:在所研究的非设计状态下,进气道的流量系数都维持在0.95以上,总压恢复除了个别状态略低于0.5,其余均位于该值以上；出口马赫数也都介于1.95～2.75之间。此外,非设计状态下进气道的流场特征与基本流场仍大致相似。
　　 (4)以典型侧压式进气道的几何造型为参照,设计了某外形相似的内乘波式进气道与之进行性能对比。相对侧压式进气道而言,设计状态下内乘波式进气道的总压恢复系数提高10.68％,流量系数提高16.13％,出口压比提高15.94％,出口马赫数降低1.26％,各参数均略优于侧压式进气道。在非设计马赫数,攻角和侧滑等非设计状态下,内乘波式进气道也都表现出相对侧压式进气道略高的性能参数。
　　 (5)分析了影响内乘波式进气道低马赫数不起动性能的因素。着重考虑矩形进口宽高比、基本流场的面积收缩比和出口马赫数对进气道起动性能的影响规律,其中。基本流场面积收缩比的影响最为明显,对本文研究的设计马赫数6的矩形进口内乘波式进气道,面积收缩比从7.8减到3.8时,其不起动马赫数可从3.9降至2.4。此外,当其他设计参数相同而进口宽高比为2左右时,进气道的不起动马赫数相对较高,而逐步增大或减小宽高比都可以获得更好的起动性能。其它参数相同而单独改变基本流场出口马赫数基本不影响进气道的起动能力。

目录

文摘

英文文摘

附图、附表清单

符号注释表

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 国内外研究现状

1.2.1 国外研究现状

1.2.2 国内研究现状

1.2.3 存在的主要问题

1.3 研究目标与主要研究内容

第二章 截面激波形状可控内乘波式进气道设计方法研究

2.1. 截面激波形状可控内乘波式进气道的设计方法

2.1.1. 截面激波形状可控内乘波式进气道设计的关键技术

2.1.2. 截面激波形状可控内乘波式进气道的设计流程

2.2. 截面激波形状可控进气道乘波特性的验证与分析

2.2.1. 二维平面流场分析

2.2.2. 三维流场结构分析

2.3. 内乘波式进气道横截面激波效果的验证与分析

2.3.1. 横截面流场分析

2.3.2. 横向压力梯度分析

2.4. 小结

第三章 典型截面激波形状可控内乘波式进气道设计与数值分析

3.1. 典型截面激波形状可控内乘波式进气道设计

3.1.1. 设计条件与基本流场选择

3.1.2. 进、出口截面形状设计

3.1.3. 截面激波形状可控内乘波式进气道无粘三维造型

3.1.4. 粘性修正与肩部光顺

3.2. 典型截面激波形状可控内乘波式进气道设计状态计算与分析

3.2.1. 计算物理模型

3.2.2. 计算方法与来流条件

3.2.3. 计算方法的校验

3.2.4. 计算网格与边界条件

3.2.5. 截面激波形状可控内乘波式进气道设计状态流动特征分析

3.3. 典型截面激波形状可控内乘波式进气道非设计状态计算与分析

3.3.1. 计算方法与来流条件

3.3.2. 低马赫数状态流动特征分析

3.3.3. M5.0正攻角状态流动特征分析

3.3.4. M5.0负攻角状态流动特征分析

3.3.5. M5.0侧滑状态流动特征分析

3.3.6. 截面激波形状可控内乘波式进气道非设计状态性能

3.4. 小结

第四章 内乘波式进气道与典型侧压式进气道的性能对比研究

4.1 进气道模型的设计与选取

4.1.1 内乘波式进气道模型的设计

4.1.2 侧压式进气道模型的选取

4.2 两类进气道设计状态性能对比

4.2.1 计算方法与来流条件

4.2.2 内乘波式进气道设计状态流动特征分析

4.2.3 侧压式进气道设计状态流动特征分析

4.2.4 两类进气道设计状态性能

4.3 两类进气道非设计状态性能对比

4.3.1 计算方法与来流条件

4.3.2 非设计马赫数状态流动特征分析

4.3.3 M6.0攻角状态流动特征分析

4.3.4 M6.0侧滑状态流动特征分析

4.3.5 两类进气道非设计状态性能对比

4.3.6 关于两类进气道的讨论

4.4 小结

第五章 内乘波式进气道低马赫数起动性能初步研究

5.1 低马赫数起动性能的影响因素

5.1.1 影响因素的分析

5.1.2 计算方法与来流条件

5.2 内乘波式进气道低马赫数不起动时的流动特征

5.2.1 二维平面流动特征分析

5.2.2 三维流场特征分析

5.2.3 性能参数的变化

5.3 基本流场面积收缩比对低马赫数起动性能的影响

5.3.1 流动特征分析

5.3.2 基本流场面积收缩比对低马赫数起动性能的影响规律

5.4 进口宽高比对低马赫数起动性能的影响

5.4.1 流动特征分析

5.4.2 进口宽高比对低马赫数起动性能的影响规律

5.5 基本流场出口马赫数对低马赫数起动性能的影响

5.5.1 流动特征分析

5.5.2 基本流场出口马赫数对低马赫数起动性能的影响规律

5.6 小结

第六章 结束语

6.1 本文主要结论

6.2 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