一種高超聲速變截面進(jìn)氣道及其設(shè)計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于高超聲速推進(jìn)風(fēng)洞的技術(shù)領(lǐng)域，具體地涉及一種高超聲速變截面進(jìn)氣道，以及這種進(jìn)氣道的設(shè)計(jì)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]高超聲速進(jìn)氣道是高超聲速吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵部件，其作用是捕獲來流空氣并將其壓縮至燃燒室所需的高壓低速狀態(tài)。其設(shè)計(jì)目標(biāo)是具有盡量大的質(zhì)量捕獲率、以盡量小的流動(dòng)損失完成對(duì)來流的壓縮。目前已經(jīng)存在的高超聲速進(jìn)氣道類型有:二元進(jìn)氣道、側(cè)壓進(jìn)氣道、內(nèi)轉(zhuǎn)式進(jìn)氣道等。傳統(tǒng)的內(nèi)轉(zhuǎn)式進(jìn)氣道具有高質(zhì)量捕獲率和較好的流動(dòng)品質(zhì)，但是由于其內(nèi)收縮比過大，使馬赫數(shù)工作范圍十分狹窄，低馬赫數(shù)下自動(dòng)溢流能力不足，難以實(shí)現(xiàn)低馬赫數(shù)自起動(dòng)。
[0003]傳統(tǒng)的內(nèi)轉(zhuǎn)式進(jìn)氣道主要有:
[0004](I)流線追蹤式:如美國Johns Hopkins大學(xué)的Billig等人發(fā)展基于Busemann基準(zhǔn)流場發(fā)展起來的流線追蹤進(jìn)氣道；英國牛津大學(xué)的Matthew基于軸對(duì)稱等壓內(nèi)錐流發(fā)展起來的流線追蹤進(jìn)氣道等。
[0005](2)變截面進(jìn)氣道:
[0006]美國NASA Langley中心的Μ.K.Smart提出矩形轉(zhuǎn)橢圓形(REST)的變截面進(jìn)氣道設(shè)計(jì)方法，基于軸對(duì)稱倒噴管流場，使用流線追蹤技術(shù)，分別根據(jù)矩形入口和橢圓形出口獲得兩個(gè)流線追蹤進(jìn)氣道型面，在垂直于來流的一系列平面內(nèi)使用數(shù)學(xué)加權(quán)函數(shù)將兩個(gè)曲面融合成變截面進(jìn)氣道型面。美國Johns Hopkins大學(xué)的T.M.Taylor和D.Vanffie以Busemann流動(dòng)為基準(zhǔn)流場，使用流線追蹤技術(shù)，分別根據(jù)方形入口和圓形出口的兩個(gè)流線追蹤進(jìn)氣道型面，在過基準(zhǔn)流場對(duì)稱軸的平面內(nèi)對(duì)流線上具有相同流動(dòng)參數(shù)的點(diǎn)進(jìn)行數(shù)學(xué)加權(quán)函數(shù)平均，從而融合成進(jìn)口為正方形，出口為圓形的變截面進(jìn)氣道。在國內(nèi)，南京航空航天大學(xué)的南向軍博士、張堃元教授提出基于三次多項(xiàng)式壓升規(guī)律的軸對(duì)稱基準(zhǔn)流場設(shè)計(jì)方法，通過數(shù)學(xué)加權(quán)函數(shù)生成了進(jìn)口為方形，出口為圓形的變截面進(jìn)氣道。曲面融合方法使進(jìn)氣道前緣的乘波特性得不到保證，進(jìn)氣道在設(shè)計(jì)點(diǎn)不能達(dá)到質(zhì)量全捕獲，另外該方法適用于進(jìn)氣道入口-出口寬高比接近的變截面設(shè)計(jì)，當(dāng)入口 /出口寬高比具有顯著差異，形狀變化劇烈時(shí)，該方法將變得不再適用。
[0007]上述內(nèi)轉(zhuǎn)式進(jìn)氣道都是傳統(tǒng)的封閉式內(nèi)轉(zhuǎn)式進(jìn)氣道，名義內(nèi)收縮比都在Kantrwitz自起動(dòng)極限以上，不通過抽吸等流動(dòng)控制手段很難實(shí)現(xiàn)自起動(dòng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的技術(shù)解決問題是:克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種高超聲速變截面進(jìn)氣道，其自起動(dòng)能力得到顯著提升，可以不通過輔助流動(dòng)控制手段實(shí)現(xiàn)低馬赫數(shù)自起動(dòng)，可以很大程度上抑制三維邊界層效應(yīng)形成的出口流向渦，隔離段內(nèi)馬赫數(shù)具有良好的均勻性，在低馬赫數(shù)下進(jìn)氣道實(shí)現(xiàn)自動(dòng)溢流，拓寬進(jìn)氣道的工作范圍。
[0009]本發(fā)明的技術(shù)解決方案是:這種高超聲速變截面進(jìn)氣道，其包括依次連接的收縮段和隔離段，該收縮段具有入口和出口，所述收縮段形成為由入口向出口逐漸收縮的形狀，所述收縮段的三維流場在收縮段軸向方向形成多個(gè)子流管，每個(gè)子流管的入口和出口的子收縮比與收縮段的入口和出口的總收縮比大致相等，且每個(gè)子流管構(gòu)成軸對(duì)稱內(nèi)收縮流場的一部分，所述隔離段包括一體成型的前端部和出口通道，該隔離段的前端部的頂部與所述收縮段的出口的頂部相連，所述收縮段的出口的兩側(cè)與所述隔離段的前端部的兩側(cè)形成旁側(cè)溢流通道。
[0010]本發(fā)明使低能氣流沿旁側(cè)溢流通道溢流，使隔離段封住高壓氣體，所以自起動(dòng)能力得到顯著提升，可以不通過輔助流動(dòng)控制手段實(shí)現(xiàn)低馬赫數(shù)自起動(dòng)，可以很大程度上抑制三維邊界層效應(yīng)形成的出口流向渦，隔離段內(nèi)馬赫數(shù)具有良好的均勻性，在低馬赫數(shù)下進(jìn)氣道實(shí)現(xiàn)自動(dòng)溢流，拓寬進(jìn)氣道的工作范圍。
[0011]還提供了一種高超聲速變截面進(jìn)氣道的設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟:
[0012](I)收縮段形成為由入口向出口逐漸收縮的形狀，將所述收縮段的三維流場在收縮段軸向方向形成多個(gè)子流管，每個(gè)子流管的入口和出口的子收縮比與收縮段的入口和出口的總收縮比大致相等，且每個(gè)子流管構(gòu)成軸對(duì)稱內(nèi)收縮流場的一部分；
[0013](2)所述隔離段一體成型地形成前端部和出口通道，該隔離段的前端部的頂部與所述收縮段的出口的頂部相連；
[0014](3)所述收縮段的出口的兩側(cè)與所述隔離段的前端部的兩側(cè)形成旁側(cè)溢流通道。
【附圖說明】
[0015]圖1是根據(jù)本發(fā)明將流場按照局部收縮比一致劃分為多個(gè)子流管的示意圖。
[0016]圖2是根據(jù)本發(fā)明的高超聲速變截面進(jìn)氣道的三維輪廓圖。
[0017]圖3示出了圖2的進(jìn)氣道的捕獲面形狀。
[0018]圖4示出了圖2的進(jìn)氣道的側(cè)向形狀。
[0019]圖5示出了圖2的進(jìn)氣道的仰視方向形狀。
[0020]圖6示出了作為對(duì)比的傳統(tǒng)進(jìn)氣道形狀。
【具體實(shí)施方式】
[0021]如圖2所示，這種高超聲速變截面進(jìn)氣道，其包括依次連接的收縮段2和隔離段4，該收縮段具有入口和出口，所述收縮段形成為由入口向出口逐漸收縮的形狀，所述收縮段的三維流場在收縮段軸向方向形成多個(gè)子流管，每個(gè)子流管的入口和出口的子收縮比與收縮段的入口和出口的總收縮比大致相等，且每個(gè)子流管構(gòu)成軸對(duì)稱內(nèi)收縮流場的一部分，所述隔離段包括一體成型的前端部和出口通道5，該隔離段的前端部的頂部與所述收縮段的出口的頂部相連，所述收縮段的出口的兩側(cè)與所述隔離段的前端部的兩側(cè)形成旁側(cè)溢流通道S。
[0022]本發(fā)明使低能氣流沿旁側(cè)溢流通道溢流，使隔離段封住高壓氣體，所以自起動(dòng)能力得到顯著提升，可以不通過輔助流動(dòng)控制手段實(shí)現(xiàn)低馬赫數(shù)自起動(dòng)，可以很大程度上抑制三維邊界層效應(yīng)形成的出口流向渦，隔離段內(nèi)馬赫數(shù)具有良好的均勻性，在低馬赫數(shù)下進(jìn)氣道實(shí)現(xiàn)自動(dòng)溢流，拓寬進(jìn)氣道的工作范圍。
[0023]另外，所述出口通道的橫截面為矩形。
[0024]另外，所述前端部為唇口形狀，唇口的前緣線3為直線。
[0025]另外，所述唇口的側(cè)緣線根據(jù)唇口處反射激波的形狀確定。
[0026]另外，唇口的前緣線乘在初始激波上，唇口的側(cè)緣線乘在反射激波上。
[0027]還提供