[發明專利]一種二元超聲速進氣道自起動性能預測方法

有效

• 申請號: 201910323640.9
• 申請日: 2019-04-22
• 公開（公告）號: CN110059417B
• 公開（公告）日: 2023-05-23
• 發明（設計）人: 謝文忠;王肖;楊樹梓;譚慧俊;陳皓;溫玉芬
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 張弛

本發明公開了一種二元超聲速自起動性能預測方法，其中，首先通過將臨界不起動流場自下而上分為三層，依次為為粘性排移層、兩激波層和主激波層，然后分別求解三種激波層在喉道處對應的高度，最后得到了考慮粘性影響的超聲速進氣道的自起動極限內收縮比。相較于Kantrowitz理論假設，本發明對于超聲速進氣道自起動極限的預測精度更高，與實際結果吻合更好。

技術領域

本發明屬于飛行器進氣道技術領域。

背景技術

超聲速進氣道作為亞燃沖壓發動機的重要氣動部件，其性能直接關系到發動機和飛行器總體的性能與工作穩定性。當超聲速飛行器借助其他動力裝置加速到亞燃沖壓發動機最低工作馬赫數(即轉級馬赫數)時，要求進氣道能夠實現從不起動狀態到起動狀態的轉換，即進氣道具備加速自起動能力。當飛行器加速至轉級狀態，一旦超聲速進氣道無法實現自起動，在唇罩入口處往往站立著一道正激波，使得進氣道的流量捕獲和所能承受的極限背壓相比于起動狀態均大幅降低，甚至導致燃燒室無法正常點火。因此，超聲速進氣道自起動性能的準確預測對于亞燃沖壓發動機和超聲速飛行器的高效、穩定工作至關重要。

超聲速進氣道自起動性能預測關鍵在于準確計算出極限內收縮比(ICR)。在極限內收縮比下，唇口入口初始不起動流場恰好能夠被吞過喉道，并在內收縮段建立起通暢的超聲速流場。早在1945年，Kantrowitz和Donaldson等人就提出了超聲速擴壓器自起動極限內收縮比的預測方法，從一維、無粘和流態準定常理論出發，假定內收縮段進口處站立一道正激波，喉道截面馬赫數達到1，利用入口正激波的損失和質量流量守恒定律即可估算出自起動極限內收縮比，其表達式為：

Kantrowitz理論計算出的超聲速擴壓器自起動極限，作為起動與不起動之間的分界線，得到了風洞實驗的準確驗證。Veillard等人和N.Moradian等人分別研究了外壓縮溢流對簡單外壓縮二元超聲速進氣道和普朗特-梅耶進氣道自起動極限總收縮比的影響，發現利用內收縮比達到Kantrowitz極限來預測的極限總收縮比與無粘仿真結果吻合較好。

需要指出的是，Kantrowitz理論在提出伊始得到風洞實驗的精準驗證，是因為用于驗證的超聲速擴壓器入口沒有外壓縮面，不存在正激波/邊界層干擾。Veillard等人和N.Moradian等人的研究中進氣道雖然有外壓縮面，但自起動極限采用的是無粘仿真進行驗證，粘性效應并未顯現出來。然而，對于超聲速進氣道而言，由于粘性效應的存在，超聲速進氣道處于不起動狀態時在內收縮段入口附近正激波與外壓縮面邊界層相互干擾誘發的“λ”波結構，而非一道單純的正激波，導致其自起動極限偏離Kantrowitz無粘理論。Van?Wie等人總結了多個超聲速進氣道的實驗結果，發現超聲速進氣道的自起動極限與Kantrowitz理論值比較接近，但并非完全一致。這也表明：超聲速進氣道的不起動流場結構與Kantrowitz理論假設的無粘不起動流場結構存在相似性，但不完全相同。

邊界層的粘性影響將帶來縮比超聲速進氣道模型在地面風洞實驗中獲得的自起動性能與全尺寸進氣道在真實飛行條件下自起動性能之間的偏差，給超聲速進氣道的氣動設計帶來不確定性，因此，為了更加準確的預測出超聲速進氣道的自起動極限內收縮比，必須考慮粘性的影響。

發明內容

發明目的：為了更加準確的預測出超聲速進氣道的自起動極限內收縮比，本發明基于超聲速進氣道的不起動流場結構特征，建立了考慮粘性影響的超聲速進氣道自起動性能預測方法。

技術方案：本發明可采用以下技術方案：

一種二元超聲速自起動性能預測方法，包括以下步驟：

(1)、將臨界不起動流場自下而上分為三層，分別為主激波層、兩激波層和粘性排移層；