[發明專利]基于彎曲激波理論的全三維內轉進氣道反設計方法

有效

• 申請號: 202011206176.4
• 申請日: 2020-11-02
• 公開（公告）號: CN112324572B
• 公開（公告）日: 2021-11-19
• 發明（設計）人: 尤延鋮;施崇廣;胡占倉;朱呈祥
• 申請（專利權）人: 廈門大學
• 主分類號: F02C7/04
• 分類號: F02C7/04
• 代理公司: 廈門南強之路專利事務所(普通合伙) 35200
• 代理人: 張素斌

基于彎曲激波理論的全三維內轉進氣道反設計方法1)根據設計要求指定全三維基準流場內全三維入射激波；2)將全三維入射激波離散為一系列參考平面，根據全三維入射激波角、激波曲率以及波后參數，利用彎曲激波理論求解對應的全三維內收縮基本流場；3)設計全三維內轉進氣道出口截面，并在步驟2)的全三維內收縮基本流場中進行流線追蹤得到高超聲速全三維內轉進氣道壓縮型面；所述截面的形狀采用橢圓形或類矩形；4)以步驟3)中的全三維內轉進氣道壓縮型面為基礎對高超聲速全三維內轉進氣道進行幾何構造：根據出口面積要求，將肩部型線等直或擴張拉伸得到全三維內轉進氣道隔離段，獲得在設計飛行狀態下基于彎曲激波理論的全三維內轉進氣道。

技術領域

本發明涉及臨近空間高超聲速進氣道領域，尤其涉及基于彎曲激波理論的全三維內轉進氣道反設計方法。

背景技術

臨近空間飛行器的發展涉及國家安全與和平利用空間，是目前國際競相爭奪空間技術的焦點之一。以美國、俄羅斯為代表的世界強國都在大力推進各自的高超聲速飛行研制計劃(Joseph,M.H,James S.M.Richard C.M.,The X-51A Scramjet Engine FlightDemonstration Program,15th AIAA International Space Planes and HypersonicSystems and Technologies Conference,2008)。進氣道是高超聲速飛行器推進系統中的主要部件。它位于飛行器前部，直接與高超聲速飛行器前體相連接，起著壓縮來流，為下游提供盡可能多高能氣流的作用。經過長期的發展人們提出了一系列高超聲速進氣道形式，主要包括：二元式進氣道、軸對稱式進氣道、側壓式進氣道，并就它們的設計方法、流動特征、工作特性、工程設計研究等問題開展了研究。此外，國外研究人員還提出了一系列三維內收縮高超聲速進氣設計思路和方案。如：美國約翰霍普金斯大學F.S.Billig等提出的流線追蹤Busemann進氣道(Brien,T.F.and Colville,J.R.Analytical Computation ofLeading Edge Truncation Effects on Inviscid Busemann Inlet Performance,AIAApaper,2007)；美國Astrox公司的P.K.Ajay等提出的“Funnel”型進氣道概念(Billig,F.S.and Kothari,A.P.,Streamline Tracing:Technique for Designing HypersonicVehicles,Journal of Propulsion and Power,Vol.16,No.3,2000,pp.465-471)；美國航天宇航研究中心的M.K.Smart等提出的將矩形進口光滑轉為橢圓形出口(Smart,M.K.andTrexler,C.A.Mach4 Performance of a Fixed-Geometry Hypersonic Inlet withRectangular-to-Elliptical Shape Transition,41st AIAA Aerospace SciencesMeetingExhibit,2002)的思路等。在國內，尤延鋮等學者率先將外流乘波理論運用在進氣道內流研究中，提出了一種被稱為內乘波式的三維內收縮高超聲速進氣道。數值模擬和高焓風洞試驗證實：設計狀態下，該進氣道可以全流量捕獲來流；在非設計狀態，該類進氣道可以通過進口的自動溢流，明顯改善低馬赫數工作能力，因而具有較好的總體特性。

雖然在高超聲速進氣道研究領域，各項研究已經取得了顯著的進展，部件性能也在不斷提升。然而，迄今為止，三維內轉進氣道反設計均采用給定軸對稱激波的軸對稱基準流場，進而利用流線追蹤技術獲得對應型面。但是基于軸對稱基準流場得到的三維內轉進氣道內部并非全三維流動，僅為偽三維流動而無橫向流動。目前，科研人員尚未發現有效的方法獲得全三維基準流場，進而得到具有全三維流動的三維內轉進氣道。而橫向流動對飛行器性能提升有至關重要的作用。與此同時，科研人員普遍采用傳統特征線法進行基準流場反設計，不僅編程復雜，而且穩定性差，限制了基本流場選擇范圍，進而減小了進氣道的幾何構造范圍。由此可見，目前制約高超聲速進氣道性能的問題之一是缺乏一種基于彎曲激波理論的全三維內轉進氣道反設計方法。