局部偏转吻切设计方法及其应用研究

来源 :郑晓刚 |
乘波体布局因其优异的气动特性,被认为是突破现有“升阻比屏障”的有效途径之一,已然成为高超声速飞行器气动设计的研究热点。其中,吻切锥理论因无需预先指定激波生成体、可从激波出发反向设计乘波体、便于同推进系统
乘波体布局因其优异的气动特性,被认为是突破现有“升阻比屏障”的有效途径之一,已然成为高超声速飞行器气动设计的研究热点。其中,吻切锥理论因无需预先指定激波生成体、可从激波出发反向设计乘波体、便于同推进系统一体化设计等优势,成为了目前工程实践中应用最为广泛的乘波体设计技术。吻切锥理论有两个基本假设:①各吻切面内的轴对称圆锥激波强度相同;②吻切面间的横向流动可以忽略。上述假设将三维流动近似为一系列二维流动的叠加,大大简化了设计难度,但同时也导致如下问题:①激波形状单一,仅能实现针对扫掠曲面(准三维)激波的逆向设计;②计算精度偏低,难以适用于变强度激波的求解。针对上述问题,本文提出一种了考虑激波强度变化及横向流动的局部偏转吻切设计方法,并开展了该设计方法在外流乘波体以及超声速Bump进气道设计中的应用研究。具体工作如下:(1)系统地总结了国内外各类乘波设计方法及其在气动设计领域的应用,为本文工作的开展指明方向。(2)介绍了本文所采用的数值方法及相关边界条件的设置。采用三个不同的超声速标准算例验证本文所采用数值方法的准确性,为后文的数值模拟工作提供依据。(3)提出了一种以非共轴二维特征线法为基础的变激波强度多锥吻切方法。该方法通过引入沿程激波曲率半径变化来修正激波强度变化带来的影响,突破了吻切锥理论中第一个基本假设的限制。数值研究表明,基于非共轴二维特征线法的多锥吻切方法在不同马赫数下均能较为准确地复现变强度激波形状及波后流动,其精度明显高于吻切锥理论。(4)结合非共轴二维特征线法,提出局部偏转吻切设计方法。该方法突破了吻切锥理论中第二个基本假设的限制,将复杂三维流动离散为一系列随流偏转的流面进行求解。数值研究表明,局部偏转吻切乘波设计方法能够以不超过3%的误差复现复杂三维激波波后流场,解空间范围较常规吻切锥理论显著扩大。(5)基于局部偏转吻切方法,从改善乘波体容积、压缩性能和宽速域性能出发,分别提出了变横截面激波、多级压缩和变马赫数三种新型乘波体设计方法。数值研究结果表明三种新型乘波体设计方法均能满足设计需求,采用三维激波特征的改型设计有效拓展了此类新型乘波体的设计自由度。(6)将吻切锥、局部偏转吻切等广义乘波方法应用于超声速Bump进气道外压缩鼓包型面的设计。研究结果表明,新方法设计的异形鼓包打破了锥形流乘波鼓包正向设计的惯例,解放了鼓包对唇口形状及后掠角度的限制,从而有望在确保气动性能的情况下大幅提升飞机的隐身性能。借助Matlab环境下的GUI工具将包含吻切鼓包、局部偏转吻切鼓包在内的异形鼓包设计方法集成,搭建了异形鼓包设计平台,为下一代先进超声速Bump进气道设计提供工具和手段。综上,本文从三维激波流动特性入手,摆脱常规吻切锥理论两项基本假设的约束,最终原创性地建立一种可适用于复杂三维激波曲面的局部偏转吻切设计方法。在该设计方法的指导下,开展了基于三维激波的外流乘波体设计和超声速Bump进气道外压缩型面设计,获得了两类气动外形的主要气动性能与流动特征,为我国下一代高超声速乘波飞行器和先进超声速Bump进气道的发展奠定理论和技术基础。
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