一种基于流向非等宽抽吸方案的进气道畸变抑制方法

摘要

本发明公开了一种基于流向非等宽抽吸方案的进气道畸变抑制方法，为高速进气道设计技术领域，包括基于初步设计的进气道造型CFD数值模拟结果，获取其沿程各截面的低能流区范围，并计算出每个截面低能流的流量，结合进气道内壁面形状及内部激波结构，确定抽吸位置，再通过对典型截面的数据分析，计算待抽吸流量，进而基于低能流沿流向的发展，根据沿程的各截面低能流的宽度设计对应的抽吸口形状，最终完成新进气道造型设计，能够准确识别沿程畸变并进行改善，同时提高进气道内流性能、减少结构强度的负担。

说明书

技术领域

本发明涉及高速进气道设计技术领域，具体为一种基于流向非等宽抽吸方案的进气道畸变抑制方法。

背景技术

在吸气式超声速/高超声速推进系统的设计中，前体存在较为严重的低能流发展，同时在进气道内存在激波与附面层之间的强烈干扰以及流场畸变，导致进气道无法捕获、压缩高品质的气流，同时也会导致进气道与燃烧室交接面的流场畸变加剧、能量损失增加，甚至造成进气道喉道处的流量壅塞，最终导致进气道喘振。

对此，除了对近壁低能流采用排移等措施外，对关键位置仍需要采用低能流抽吸手段进行流动控制。由于实验测得的结果与全尺寸进气道上测得的数值模拟结果存在差异，所以早期的附面层抽吸研究对实验的依赖程度较大。随着数值计算能力的提升，有更多研究开始关注对附面层抽吸的数值模拟技术，主要可以归纳为以下两类方法：1)其一是在抽吸位置给定速度分布边界条件，直接驱使低能流抽吸，这种方法计算相对简单，适合复杂三维构型的附面层抽吸研究；2)其二是将主流区、抽吸孔、抽吸腔一起生成网格进行计算，能够对抽吸孔大小、形状、排列规律、开孔率以及抽吸孔板的厚度等影响因素进行更为细致的研究，当然对计算能力要求较高。这两类方法面对工程设计实践存在共同的挑战，即迭代次数较多，效率较低，导致设计周期较长且消耗计算资源。同时，传统的附面层抽吸方法往往采用较为规律的抽吸孔/槽设计，多数应用于附面层分布较为均匀的区域(如机身、前体等)，对于进气道内流而言，其流场的速度分布更复杂，低能流的分布沿流向的发展是进气道内壁压缩特性决定的，如果仍然沿用形状规则的抽吸方案，其低能流排除效能往往不高。所以亟需一种基于流向非等宽抽吸方案的进气道畸变抑制方法来解决现有技术中的问题。

发明内容

本发明提供一种能够准确识别沿程畸变，提高进气道内流性能、减少结构强度的负担的基于流向非等宽抽吸方案的进气道畸变抑制方法。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于流向非等宽抽吸方案的进气道畸变抑制方法，包括如下步骤：

S1、基于初步设计的进气道造型CFD数值模拟结果，获取其沿程各截面的低能流区范围，并计算出每个截面低能流的流量，结合进气道内壁面形状及内部激波结构，确定抽吸位置；

S2、基于预设参数计算出通过抽吸通道的总流量，其中，预设参数包括孔径比、开孔率、当地声速和孔板总面积，以及进气道壁面与抽吸通道压差；

S3、根据沿程的各截面低能流的宽度设计对应的抽吸口形状，获得新进气道造型。

优选的，在步骤S1中，根据CFD数值模拟结果，做出其沿程截面的总压恢复系数σ云图，其中，σ≤0.1的区域判定为低能流区，同时，获取各个低能流区中心的位置，进而得到低能流区中心到壁面的距离h

优选的，通过积分计算得到各截面低能流的流量

优选的，当流场中有两处及以上低能流区，且分布位置不一时，在计算流量

优选的，在步骤S2中，孔径比取值范围：0.1-5.0，开孔率取值范围：0-0.8，孔板总面积取值范围：0-2/3内壁面积。

优选的，在步骤S2中进气道壁面与抽吸通道压差，其中，进气道壁面压力由CFD模拟结果获得，抽吸通道压力为来流压力的1±0.2倍。

优选的，在抽吸位置及其下游根据沿程σ云图获得各截面低能流宽度W

优选的，计算

优选的，在步骤S3中，指定抽吸通道的角度θ，并结合抽吸面积设计抽吸口形状，其中，角度θ的范围在30°以内。

与现有技术相比，本发明的有益效果：本发明针对现有技术中高速进气道设计实践中存在较厚低能流，且进一步引发进气道内流场畸变的的问题，基于初步设计的进气道造型CFD数值模拟结果，获取高速进气道内低能流分布的主要区域，通过对典型截面的数据分析，估算待抽吸流量，进而基于低能流沿流向的发展，确定抽吸口的形状，最终完成新进气道造型设计，能够准确识别沿程畸变并进行改善，同时提高进气道内流性能、减少结构强度的负担。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。

在附图中：

图1是本发明基于流向非等宽抽吸方案的进气道畸变抑制方法的设计流程图；

图2为进气道截面σ分布图；

图3是本发明预抽吸流量的计算流程图；

图4为流向等宽/非等宽抽吸方案的示例图；

图5是本发明采用流向非等宽抽吸方案对进气道流场畸变的抑制效果图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例：如图1所示，一种基于流向非等宽抽吸方案的进气道畸变抑制方法，具体包括如下步骤：

S1、基于初步设计的进气道造型CFD数值模拟结果，获取其沿程各截面的低能流区范围，并计算出每个截面低能流的流量，结合进气道内壁面形状及内部激波结构，确定抽吸位置；

其中，包括：根据CFD数值模拟结果，做出其沿程截面的总压恢复系数σ云图，如图2所示，左图是进气道沿程截面的σ分布(半模型)，右图是进气道出口截面σ分布图，其中，σ≤0.1的区域判定为低能流区，同时，获取各个低能流区中心的位置，进而得到低能流区中心到壁面的距离h

通过积分计算得到各截面低能流的流量

S2、基于预设参数计算出通过抽吸通道的总流量，其中，预设参数包括孔径比、开孔率、当地声速和孔板总面积，以及进气道壁面与抽吸通道压差；

本实施例中，孔径比取值范围：0.1-5.0，开孔率取值范围：0-0.8，孔板总面积取值范围：0-2/3内壁面积，进气道壁面压力由CFD模拟结果获得，抽吸通道压力为来流压力的1±0.2倍；利用上述参数数据，并采用如图3所示的计算过程，进行计算。

S3、根据沿程的各截面低能流的宽度设计对应的抽吸口形状，获得新进气道造型，在抽吸口形状设计时，出于结构强度的考虑，最大宽度需不超过进气道内壁面宽度的2/3；

其中，在抽吸位置及其下游根据沿程σ云图获得各截面低能流宽度W

指定抽吸通道的角度θ，并结合抽吸面积设计抽吸口形状，最终设计得到待流向等宽/非等宽低能流抽吸通道的新进气道造型，其中，角度θ的范围在30°以内。

如图4所示，为流向等宽/非等宽抽吸方案的示例图(半模型)，由图中可得，进气道内壁上表面中部区域存在低能流区，沿流向发展时，其低能流的宽度基本不变，且低能流中心几乎没有变化，可以采用传统的流向等宽抽吸方案；进气道内壁下表面两侧存在低能流区，沿流向发展时，其低能流的宽度缩小，低能流中心从两侧发展到靠近中心的位置，所以需采用流向非等宽抽吸方案，同时抽吸区域的中心线需与低能流的中心线方向一致；

如图5所示，为采用流向非等宽抽吸方案对进气道流场畸变的抑制效果图，其中，左图为不带抽吸的结果，右图为带抽吸的结果；从图中可以看到，通过分别布置流向等宽、非等宽抽吸方案，进气道出口半模型的右上部、中下部两处低能流区(σ≤0.1)面积显著减小，畸变图谱得到改善。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。