几何尺寸对高超声速进气道气动性能的影响

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaJul252014VOl35No71893—1901lSSN1000—6893ON11—1929／Vhttp：／／hkxbbuaaeducnhkxb@buaaeducn几何尺寸对高超声速进气道气动性能的影响王亚岗，袁化成+，郭荣伟江苏省航空动力系统重点实验室，南京航空航天大学能源与动力学院，江苏南京210016摘要：为了探索模型缩尺比对高超声速进气道气动性能的影响，对不同缩尺比的二元高超声速进气道开展了数值模拟研究，结果表明：随着缩尺比的增大，进气道流量系数、隔离段出口总

2、压恢复系数和马赫数均逐渐增大，而静压比逐渐减小，且来流马赫数越高，上述参数变化幅度越大。由理论与数值模拟分析可知，上述现象主要是由于不同缩尺比下，进气道当地雷诺数不同，导致进气道附面层相对厚度变化，进而影响进气道气动性能。理论分析了进气道总压恢复系数与缩尺比的定量关系，就进气道而言，进气道进口处附面层相对厚度减小1％，隔离段出口总压恢复系数提高约0．7％。关键词：高超声速进气道；缩尺比；网格划分；数值模拟；附面层相对厚度；总压恢复系数中图分类号：V231；0354．4文献标识码：A文章编号：10006893(2014)07189309吸气式高超声速

3、推进技术是发展新一代低成本、高性能高超声速飞行器的关键技术，具有强烈的航空航天和军事应用需求，因此得到了国内外相关领域专家的高度重视。进气道是吸气式推进系统的关键部件之一，可以说进气道能否稳定工作以及性能的好坏直接影响着其后各部件能否正常工作，从而也问接影响了推进系统的整体性能。因此，为吸气式推进系统配备性能优良的进气道，对整个推进系统乃至整个飞行器综合性能的提高具有重要的现实意义[1。2]。目前高超声速进气道的研究中，风洞实验是获得气动数据最主要的手段之一。鉴于风洞实验条件(如风洞几何尺寸)、研究经费等方面的限制，实验研究中往往采用一定缩小比例的

4、模型[。。4]。例如，NASA的X43A试验飞行器前体／进气道研究中采用缩尺比(缩放后的进气道几何尺寸与进气道原始几何尺寸之比)为]／8的模型[5]。瑞典SAAS37战斗机的进气道在风洞实验中采用缩尺比为i／is的模型[6]，美国F15战斗机进气道采用的缩尺比为]／6[6]。实践证明，采用缩比模型进气道实验代替实物实验不仅实现了超过风洞尺寸的大尺寸进气道的研制，同时也能够减少研制经费[5]。通常，风洞实验大多按风洞尺寸的大小来确定模型的缩尺比，且在保证风洞正常启动工作，不影响进气道流动的前提下，实验模型尽可能大。在此前提下，满足来流马赫数相同，实验

5、模型与真实飞行器几何相似，再对实验数据加以修正，则认为结果基本可信。试想，若采用不同几何尺寸的风洞对同一进气道进行实验研究，受风洞尺寸限制，实验模型的缩尺比一般不同。在相同的实验条件下所得实验数据一般不能均可靠地反映进气道真实气动性能[6]。陈谟口。81从Ns方程出发，指出传统风洞实验模型尺寸由风洞尺寸决定的不足，并提出了使用计算流体力学(ComputationalFluidDynamics，CFD)方法来确定风洞实收稿日期：2013—09—09；退修日期：2013—09—24；录用日期：2013—11—04；网络出版时间：2013—11—2118

6、：58网络出版地址：WWWcnkinet／kcms／detail／111929V201311211858006html*通讯作者Tel：025—84892271E-mail：yuanhuacheng@nuaaeducn黾属格式WangYG，YuanHc，GuoRWEffectofgeometricdimensionsonaerodynamicperformanceofhypersonic㈣etLJJActaAero—nauticaetAstronaut／caSin／ca，2014，35(Z)：1893—1901王亚岗，袁化成，郭荣伟几何足寸对高超声

7、速进气道气动性能的影响i如航空学报，2014，35(7)：1893．1901航空学报验模型的几何尺寸，但仍存在实验模型过大没有合适风洞的问题[9。1⋯。不同缩尺比下进气道性能差异的定性及定量分析或将解决这一问题，但至今还未见到国内外相关的公开研究报道。本文采用数值模拟的方法，对不同缩尺比的高超声速进气道进行了研究，分析了缩尺比对高超声速进气道气动性能的影响，总结其变化规律。旨在对进气道风洞模型缩尺比的选择及不同缩尺比模型下进气道气动性能换算提供参考。2数值模拟2．1计算方法本文采用商业计算软件Fluent对不同缩尺比下的高超声速进气道二维流场开展数

8、值模拟，选取标准肛e湍流模型，二阶迎风格式离散，近壁区采用标准壁面函数法处理。计算收敛以各方程残差均下降4个数量级为准，同