一种三维曲面压缩变几何进气道结构获得方法

摘要

一种三维曲面压缩变几何进气道结构获得方法，属于气动设计技术领域，目的是为了解决三维曲面压缩方式的进气道变几何调节所存在的机械结构实现困难的问题。本发首先设定进气道基本构型，然后确定边界层泄除槽的基本几何外形和外围密封腔的基本控制方式，最后确定第一/二级变几何转动部件的转轴位置及所需转动角度范围，然后确定转动部件与进气道固定壁面、密封腔侧壁以及转动部件之间的连接分部的结构，得到的进气道结构如果不符合设计要求，则返回进行迭代，直到满足要求为止。该方法简单，能够使进气道在更宽Ma数范围内的能保持正常工作，不仅解决了三维曲面变几何所存在的机械结构难题，同时也拥有了边界层泄除等流动控制能力。

说明书

技术领域

本发明属于气动设计技术领域，具体涉及宽速域变几何调节的三维曲面压缩高马赫(Ma)数进气道设计方法。

背景技术

临近空间吸气式高Ma数飞行器由于其突出的应用价值和意义受到了世界各航空航天大国的广泛关注，现阶段存在较多技术难题亟需解决或突破。其中，进气道作为吸气式发动机的主要部件，一方面在整个飞行包线内对前方气流进行压缩，并对飞行器流场产生一定的影响，另一方面还需要为发动机在全速域范围内正常工作提供所需气流。因此，其性能的好坏直接决定着临近空间吸气式高Ma数飞行器的整体性能。

目前，国内外已对高Ma进气道开展了大量研究工作，其中，采用三维曲面压缩方式的进气道(三元内转式进气道等)，由于其具有压缩效率高、浸润面积小以及角区流动激波/边界层干扰较弱等特点，多年来一直受到研究学者的广泛关注。例如，从现阶段一些较新的高超声速飞行器计划(美国FALCON计划和欧洲LAPCAT计划等)也不难发现多采用这类进气道。另外，由于高性能的进气道通常需要在较宽的速域内均具有较优异的整体性能，即需要兼顾在压缩效率和内收缩比之间进行合理平衡和选取，该问题在二元进气道设计中通常可以较好地借助变几何调节的方式予以解决。而三元内转式进气道由于其特殊的三维曲面压缩特性所带来的转轴布置机械结构实现困难等问题，给其在应用于宽速域变几何可调带来了相当大的挑战。目前国内外已初步开展了部分探索研究工作，但仍存在较多难题有待进一步解决。此外，随着进气道边界层从前缘沿着压缩壁面的不断发展，其厚度逐渐增加，从而带来了进气道性能下降以及激波/边界层干扰分离等气动问题，在工程应用中通常采用开孔或开槽等方式对边界层进行抽吸和吸除控制。

发明内容

本发明的目的是为了解决三维曲面压缩方式的进气道变几何调节所存在的机械结构实现困难的问题，提出一种三维曲面压缩变几何调节高Ma数进气道结构获得方法。

本发明所述的一种三维曲面压缩变几何调节高Ma数进气道结构获得方法包括以下步骤：

步骤一、设定进气道基本构型；

步骤二、根据所需要的边界层泄除流量和使用范围确定边界层泄除槽的基本几何外形和外围密封腔的基本控制方式；

步骤三、基于进气道工作Ma数范围性能指标，在进气道基本构型上确定第一/二级变几何转动部件的转轴位置及所需转动角度范围，然后结合所确定的边界层泄除槽的宽度和转动部件前缘线的扫略曲面，确定转动部件与进气道固定壁面、密封腔侧壁以及转动部件之间的连接分部的结构；

步骤四、对步骤三所获得的进气道进行宽速域气动性能分析评估，若满足设计要求，则结束所述的进气道结构获得方法；若不满足设计要求，则返回步骤一进行迭代，直到满足要求为止。

进一步地，步骤一的具体方法如下：

据所需的进气道性能要求，采用典型三维曲面压缩高Ma数进气道设计方法获得进气道基本构型。

进一步地，步骤二的具体方法如下：

对进气道基本构型开展气动性能评估，获得所需要的边界层泄除流量，并根据进气道几何尺寸以及飞行环境确定边界层泄除槽的宽度、气流偏转方式以及泄除槽外围密封腔的基本控制方式。

进一步地，步骤三的具体方法如下：

开展变几何调节型面设计，主要基于进气道工作Ma数范围性能指标，获得其能在最低Ma数正常工作时的最小内收缩比参数，从而在进气道基本构型上确定第一级变几何转动部件的转轴位置及所需转动角度范围；同时在进气道基本构型喉道位置确定第二级变几何转动部件的转轴位置，其转动角度范围与第一级转动部件相同，但转动方向相反；接着，根据所确定的边界层泄除槽的宽度，以第一/二级转动部件前缘线扫略曲面为基准，确定转动部件与进气道固定壁面、转动部件与密封腔侧壁以及第一/二级转动部件的连接部分的结构，获得可适用于宽速域范围工作的三维曲面压缩变几何进气道构型。

本发明的优点在于：

1)方法简单；

2)将高性能的三维曲面压缩进气道与变几何调节方法相结合，使其在更宽Ma数范围内的能保持正常工作；

3)将三维曲面转动部件转轴区域的狭缝与边界层泄除槽相结合，不仅解决了三维曲面变几何所存在的机械结构难题，同时也拥有了边界层泄除等流动控制能力，一举两得。

附图说明

图1是三维曲面压缩变几何进气道的结构示意图(右侧半模)；

图2是图1中第一级变几何型面转轴附近局部区域放大后的结构示意图；

图3是转动部件与侧壁板狭缝的结构示意图；

图4是第二级变几何型面的结构示意图。

其中，

1-第一级转动部件转轴位置

2-第一级转动部件前缘线扫略曲面

3-第一级转动部件

4-第二级转动部件前缘线扫略曲面

5-密封腔壁面

6-边界层抽吸腔(转动部件运动空间)

7-三维曲面压缩进气道入口

8-进气道固定壁面

9-第二级转动部件转轴

10-第二级转动部件

11-进气道出口

12-第一级转动部件与固定壁面间隙(抽吸槽)

13-第一级转动部件抽吸腔示意位置

14-转动部件与密封腔侧壁间隙示意

15-转动部件与固定壁面间隙示意

16-变几何调节后的边界层抽吸腔

17-变几何调节后的进气道出口

18-第二级抽吸腔位置

19-第二级抽吸腔缝隙

图5是实施方式中的一种三维曲面压缩变几何调节高Ma数进气道结构获得方法的流程图。

具体实施方式

具体实施方式一：由于变几何调节机构在运动过程中两个部件之间的间隙会随之变化，同时边界层抽吸或吸除也需要借助开缝或开槽等方式，因此可以考虑将三维曲面压缩高Ma数进气道的变几何调节设计与边界层吸除控制相结合，探索三维曲面压缩变几何高Ma数进气道设计方法。本实施方式采用该思路开展研究，以满足工程应用需求。

结合图1至图5说明本实施方式，本实施方式所述的一种三维曲面压缩变几何调节高Ma数进气道结构获得方法包括以下步骤：

步骤一、设定进气道基本构型，具体方法如下：

据所需的进气道性能要求，采用典型三维曲面压缩高Ma数进气道设计方法获得进气道基本构型，该类进气道构型具有压缩型面均为三维曲面的特征；

步骤二、根据所需要的边界层泄除流量和使用范围确定边界层泄除槽的基本几何外形和外围密封腔的基本控制方式，具体方法如下：

对进气道基本构型开展气动性能评估，获得所需要的边界层泄除流量，并根据进气道几何尺寸以及飞行环境确定边界层泄除槽的宽度、气流偏转方式以及泄除槽外围密封腔的基本控制方式；

步骤三、基于进气道工作Ma数范围性能指标，在进气道基本构型上确定第一/二级变几何转动部件的转轴位置及所需转动角度范围，然后结合所确定的边界层泄除槽的宽度和转动部件前缘线的扫略曲面，确定转动部件与进气道固定壁面、密封腔侧壁以及转动部件之间的连接分部的结构，其中，转动部件前缘线由步骤一获得，具体方法如下：

开展变几何调节型面设计，主要基于进气道工作Ma数范围性能指标，获得其能在最低Ma数正常工作时的最小内收缩比参数，从而在进气道基本构型上确定第一级变几何转动部件的转轴位置及所需转动角度范围；同时在进气道基本构型喉道位置确定第二级变几何转动部件的转轴位置，其转动角度范围与第一级转动部件相同，但转动方向相反；接着，根据所确定的边界层泄除槽的宽度，以第一/二级转动部件前缘线扫略曲面为基准，确定转动部件与进气道固定壁面、转动部件与密封腔侧壁以及第一/二级转动部件的连接部分的结构，获得可适用于宽速域范围工作的三维曲面压缩变几何进气道构型；

步骤四、对步骤三所获得的进气道进行宽速域气动性能分析评估，若满足设计要求，则结束所述的进气道结构获得方法；若不满足设计要求，则返回步骤一进行迭代，直到满足要求为止。

本实施方式所述的一种三维曲面压缩变几何调节高Ma数进气道结构获得方法具有以下特点：

1.将高性能的三维曲面压缩进气道与变几何调节方法相结合，使其在更宽Ma数范围内的能保持正常工作；

2.将三维曲面转动部件转轴区域的狭缝与边界层泄除槽相结合，不仅解决了三维曲面变几何所存在的机械结构难题，同时也拥有了边界层泄除等流动控制能力，一举两得；

3.三维曲面压缩变几何进气道具有两级转动部件，且以第一/二级转动部件前缘线扫略曲面为基准，完成转动部件与进气道固定壁面、转动部件与密封腔侧壁以及第一/二级转动部件的连接。