高超声速内收缩进气道分步优化设计方法.pdf

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstrOnaulicaSinicaDec252015V01．36No123759—3773ISSN1000．6893CN11—1929／Vhttp：#hkxb．buaa．edu．cnhkxb@buaaedu．cn高超声速内收缩进气道分步优化设计方法王骥飞1，蔡晋生1’*，段焰辉21．西北工业大学航空学院，西安7100722．中国空气动力研究与发展中心计算空气动力研究所，绵阳621000摘要：提出了基准流场与唇口平面形状分步优化的高超声速内收缩进气道设计方法。基准流场以反射激波不均匀性最小和总压恢复

2、最大进行多目标优化设计，使用结合Tayler—Maccoll方程的有旋特征线方法(MOC)进行流场计算，获得双拐点母线内收缩锥基准流场。进气道唇口形状以沿流线积分(StreamlineIntegralMethod，SIM)获得的进气道无黏阻力最小为目标进行优化设计，获得类椭圆形唇El平面形状。针对优化设计结果进行数值模拟，与传统直母线基准流场相比，双拐点母线基准流场反射激波后流动不均匀性下降40％左右，总压损失减少35％左右，总体性能提升明显。类椭圆唇口进气道在设计点的单位质量流量无黏阻力相较于圆形唇口降低6％，具有良好的压缩特性和气动效率

3、，能够减弱进气系统对飞行器气动性能的不利影响。研究结果表明该方法是一种高效且实用的高超声速内收缩进气道设计方法。关键词：高超声速；内收缩进气道；优化设计；流线追踪；Navier—Stokes方程；数值模拟中图分类号：V211．48文献标识码：A文章编号：1000—6893(2015)12—3759—15高超声速进气道作为超燃冲压发动机的核心压缩部件，是高超声速飞行器能够以超高速度飞行的重要基础。考虑到高超声速飞行器的特殊飞行条件和设计要求，进气道要有良好的压缩特性和优良的气动特性，尽可能地削弱对飞行器气动性能的不利影响。国内外研究者已经x,

4、／--元平面进气道、轴对称进气道和侧压式进气道3种典型的高超声速进气道进行了大量的数值模拟和实验研究口]，其设计技术已经趋于成熟，二维进气道已经在美国的X一43A[21和X一51[31高超声速飞行实验模型上予以使用。除了以上3类典型的高超声速进气道以外，以Busemann进气道[43为代表的内收缩进气道也受到了国内外研究者的重点关注。此类进气道的优点是总压恢复高、浸润面积小且适应性广。原始Busemann进气道绝大部分采用等熵压缩方式且反射激波后流场均匀，但其压缩路径长，即便是采用截断的Busemann进气道，考虑黏性效应后其流场品质变化依

5、然较大，所以实用性欠佳。vanWie和Molder[51采用流线追踪技术[6]以Buse—mann流场作为基准流场生成了模块化Buse—mann进气道，一定程度上克服了原有缺点。美国国家航空航天局研究员Smart[73采用倒置等熵喷管流场作为基准流场，设计了矩形转椭圆形(RectangulartoEllipticalShapeTransition，REST)进气道。南京航空航天大学的You等[8。9]采用直母线内收缩锥流场设计了内乘波进气道，张垄元等[1乱113研究了压升规律和马赫数规律可控的内收缩基准流场应用于高超声速进气道的设计中。中国

6、空气动力研究与发展中心的贺旭照收稿日期：2014—12-30；退修日期：2015—01—31；录用日期：2015—04—02；网络出版时间：2015—04—1314：02网络出版地址：WWWcnki．net／kcms／delal

7、／111929V201504131402003．html基金项目：省部级项目*通讯作者Tel：029—88495381E-mail：caijsh@nwpueducn}

8、用格式zWangJF，CaiJS．DuanYH．Multistageoptimizationdesignmethodofhypersonicinwa

9、rdturninghie蜓如ActaAeronauticaetAstronauticaSinica，2015，36(12)：3759．3773王骥飞，蔡晋生，段焰辉．高超声速内收缩进气道分步优化设计方法[J]航空学报，2015。36(12)：3759．3773航空学报等[123提出了密切内锥乘波体设计概念用于飞行器与进气道的一体化设计。国外文献[1列指出，对于Ma一5～7的碳氢燃料飞行器，进气道压缩效率每提高1％就可以使推进系统的比冲增加4％左右。文献[141指出：因为燃烧时间尺度的不确定性以及机体上多个发动机模块的存在，进气道应该尽可能地

10、给燃烧室提供均匀的气流。同时，高超声速飞行器的进气道要与机体进行一体化设计，进气道不仅要高效地完成气体的压缩，还要尽可能地保持良好的气动特性，尽可能减少对机体气动特性的不利影响。