出口截面流场参数可控的内转式进气道基本流场设计方法技术

本发明专利技术提供一种出口截面流场参数可控的内转式进气道基本流场设计方法，根据出口截面的一种流场参数分布来设计基本流场下边界的形状，所述方法首先根据反射激波顶点处的波后流场参数来设计可生成反射激波的气动型面，然后根据出口截面的一种流场参数分布来设计可将反射激波的波后依赖域出口下游流场参数调整至与出口截面流场参数分布一致的气动型面，本发明专利技术只需对出口截面处的一个参数进行约束，对出口截面处流场参数分布的约束较少，扩大了给定流场参数的给定范围。控制反射激波顶点处流场参数时便可有效控制反射激波在进气道隔离段内的反射，同时也有利于削弱反射激波与附面层相互干扰的强度，从而有利于提升进气道的气动性能。

Design method of flow field for an inward rotating inlet with controllable flow parameters of exit section

The invention provides a controllable flow at the exit section within the rotor inlet flow field design method, according to the exit section of the flow field parameters to design a basic flow boundary shape, the method according to the parameters of the flow field at the vertices of the reflected shock wave after the design can generate the reflected shock aerodynamic surface. According to a flow parameter distribution to design can be reflected shock wave domain dependent downstream flow parameters to adjust the distribution of the flow at the exit section is consistent with the parameters of the pneumatic surface outlet, the invention only needs a parameter on the exit section of the constraints, the outlet flow less parameter distribution to expand the scope of the given constraints, the given flow field parameters. Control of the reflected shock wave at the apex of flow parameters can effectively control the reflected shock wave reflection in inlet isolator within, but also conducive to weaken the reflected shock wave and boundary layer interaction strength, which is beneficial to improve the aerodynamic performance of inlet.

【技术实现步骤摘要】
出口截面流场参数可控的内转式进气道基本流场设计方法
本专利技术涉及马赫数大于3的内转式进气道设计领域，尤其是一种出口截面流场参可控的内转式进气道基本流场设计方法。
技术介绍
近十几年来，内转式进气道在高马赫数(3<M<5)和高超声速(M>5)吸气式推进系统设计中的应用越来越广泛。在传统的内转式进气道基本流场中，反射激波由水平的基本流场下边界生成，这种情况下进气道对来流的压缩过程主要有入口激波、等熵压缩、反射激波和隔离段四个部分。由于设计原因，传统的内转式进气道基本流场上表面对反射激波并不能很好消波，这使得反射激波在隔离段内继续反射形成反射激波串，从而对进气道的气动性能带来较大影响。此外，由于进气道流场结构具有三维内收缩特征，附面层在等熵压缩段内迅速累积再与反射激波相互干扰产生很强的二次流，使气流的总压恢复系数在隔离段内迅速下降。目前，南京航空航天大学张堃元老师团队在内转式进气道研究比较深入。该团队的研究结果表明，通过改变中心体半径削弱反射波可使进气道的气动性能得到大幅提升，然而，该团队目前只是采用CFD方法，根据给定的基本流场下边界形状来确定反射激波，对反射激波还没有更为准确的控制方法研究。近年来，该团队还提出了根据给定进气道出口流场参数分布来设计进气道型面的方法，但也仅限于二元情况。此外，厦门大学韩伟强利用乔文友发展的逆特征线法开展了根据给定出口流场参数分布确定内转式进气道基本流场的研究。这些方法至少要同时给定两个独立参数，然后根据流量关系确定入射激波形状，再根据等熵关系确定所有出口流场参数，最后应用现有特征线方法确定整个流场参数分布及边界形状。初步来看，这些方法貌似可以直接设计内转式进气道的基本流场，但是存在两方面的问题影响其在内转式进气道设计中的应用：首先，在流场的三维效应下，出口流场参数分布的存在性是一个亟待解决的问题。在基本流场中，气流经过轴对称的等熵压缩和激波压缩，使得出口参数分布存在较强的非线性。这时，如果给定的出口参数分布不合理，计算很容易发散。因此如何给定出口参数分布还需要做进一步研究。其次，在不考虑存在性的前提下，虽然根据出口参数完全确定基本流场的方法比较简便，但是该方法同时也限制了流场的压缩规律，这对进气道兼顾起动和抗反压能力带来一定困难。此外，流场的压缩规律对附面层的发展也存在较大的影响，因此采用这种方法很难控制进气道的粘性损失，进而很难控制反射激波与附面层的相互干扰。由此可知，如何根据出口参数分布来调节流场的压缩规律又是一个限制该方法应用的一大障碍。基于以上两方面的原因，根据出口参数分布设计基本流场的方法目前还仅限于二元进气道上，在内转式计进气道设计中的应用还有待于进一步深入研究。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有根据出口流场参数分布设计进气道型面方法存在的不足，提供一种可以控制进气道基本流场出口截面流场参数分布的内转式进气道基本流场设计方法。为实现上述专利技术目的，本专利技术技术方案如下：1、一种出口截面流场参数可控的内转式进气道基本流场设计方法，根据出口截面的一种流场参数分布来设计基本流场下边界的形状，所述方法首先根据反射激波顶点处的波后流场参数来设计可生成反射激波的气动型面，然后根据出口截面的一种流场参数分布来设计可将反射激波的波后依赖域出口下游流场参数调整至与出口截面流场参数分布一致的气动型面，这里反射激波顶点为反射激波与基本流场出口截面的交点，即基本流场出口截面的上边界。2、作为优选方式，所述根据反射激波顶点处的波后流场参数来设计可生成反射激波的气动型面的设计方法为调节可生成反射激波的气动型面以控制反射激波的形状，使反射激波顶点处的波后流场参数与出口截面上边界的流场参数一致，具体包括如下步骤：①采用三次曲线描述生成反射激波的气动型面，该曲线由反射激波起始点和人为给定控制点的位置和气流方向角控制，其方程为y＝a1·x3+b1·x2+c1·x+d1，式中的系数可由这两点的参数表达，c1＝tan(θs)、d1＝Rc，其中L、θs、θe、Rc和Rd分别为起始点与曲线控制点处的距离、起始点处的倾角、控制点处的倾角、起始点处的半径、控制点处的半径；②给定L、θs、Rc和Rd，调节θe，或者给定θs、θe、Rc和Rd，调节L来修正曲线形状，然后在基本流场等熵压缩段产生的来流条件下，应用特征线法确定该曲线生成的反射激波形状及波后依赖域的流场参数分布；③应用割线法，对比②生成的反射激波顶点处的波后流场参数与出口截面上边界处的目标参数，并针对二者的差值调节θe或调节L，然后返回②重新计算，直到反射激波顶点处的波后流场参数与出口截面上边界的流场参数一致时为止。3、作为优选方式，所述根据反射激波顶点处的波后流场参数来设计可生成反射激波的气动型面的设计方法为：在基本流场上边界产生的流场中，直接给定反射激波的形状，同时确保激波顶点处的波后流场参数与出口截面上边界的流场参数一致，然后应用给定激波反求型面的逆特征线法确定可生成该激波的物面，包括如下步骤：①在基本流场上边界上，将距离反射激波起始点轴向距离为l的点作为反射激波顶点，并将该点处的流场参数作为波前流场参数，根据出口截面流场参数分布确定该点的波后流场参数，再应用激波关系式计算出该点处应具有的反射激波角度；②以反射激波起点和预估的反射激波顶点位置和激波角度为控制参数，并采用三次曲线构造反射激波的形状，曲线方程为y＝a2·x3+b2·x2+c2·x+d2，式中c2＝tan(βs)、d2＝Rc，其中l为反射激波起始点至顶点的轴向距离，βs、βe、Rc和yd分别为反射激波起始点处的激波角度、顶点处的激波角度、反射激波起始点处的半径、顶点处的半径，然后通过插值在等熵压缩段流场上确定反射激波的波前流场参数，再应用激波关系式计算出反射激波的波后流场参数；③应用逆特征线法求解可生成反射激波的气动型面和波后依赖域流场，若该气动型面存在，便终止计算，否则调节l修正反射激波顶点位置，并返回②重新计算；4、根据出口截面的一种流场参数分布来设计可将反射激波的波后依赖域出口下游流场参数调整至与出口截面流场参数分布一致的气动型面的方法包括如下步骤：①自反射激波顶点A1开始，以反射激波的波后依赖域出口边界A1A2…An为初始边界，并在该边界上选定下游初始点A1和上游初始点A2，点A2发出的流线与出口截面相交于待求解点B1处，接着由点B1逆向发出右行特征线与A1A2相交于点B1’，联立流线A2B1和特征线B1’B1上的相容方程以及出口截面上的流场参数分布规律确定点B1的所有流场参数；②以出口截面上的点B1和反射激波的波后依赖域出口边界A3…An-1An为初始边界，应用逆特征线法求解出可得到点B1的气动边界形状AnBn-1；③以B1B2…Bn-1为初始边界，继续迭代步骤①和②得到可使反射激波的波后依赖域出口下游流场在出口截面处流场参数分布与给定条件一致的气动型面。5、作为优选方式，所述的流场参数指压力、马赫数、密度、温度、速度大小或方向。本专利技术的有益效果为：本专利技术只需对出口截面处的一个参数进行约束，与上游来流的流场参数不会出现过约束情况，也不会约束基本流场的压缩规律，使进气道设计方法的灵活进一步提升；对出口截面处流场参数分布的约束较少，扩大了给定流场参数本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种出口截面流场参数可控的内转式进气道基本流场设计方法，其特征在于：根据出口截面的一种流场参数分布来设计基本流场下边界的形状，所述方法首先根据反射激波顶点处的波后流场参数设计可生成反射激波的气动型面，然后根据出口截面的一种流场参数分布来设计可将反射激波的波后依赖域出口下游流场参数调整至与出口截面流场参数分布一致的气动型面，这里反射激波顶点为反射激波与基本流场出口截面的交点，即基本流场出口截面的上边界。

【技术特征摘要】
1.一种出口截面流场参数可控的内转式进气道基本流场设计方法，其特征在于：根据出口截面的一种流场参数分布来设计基本流场下边界的形状，所述方法首先根据反射激波顶点处的波后流场参数设计可生成反射激波的气动型面，然后根据出口截面的一种流场参数分布来设计可将反射激波的波后依赖域出口下游流场参数调整至与出口截面流场参数分布一致的气动型面，这里反射激波顶点为反射激波与基本流场出口截面的交点，即基本流场出口截面的上边界。2.如权利要求1所述的出口截面部分流场参数可控的内转式进气道基本流场设计方法，其特征在于：所述根据反射激波顶点处的波后流场参数来设计可生成反射激波的气动型面的设计方法为调节可生成反射激波的气动型面以控制反射激波的形状，使反射激波顶点处的波后流场参数与出口截面上边界的流场参数一致，具体包括如下步骤：①采用三次曲线描述生成反射激波的气动型面，该曲线由反射激波起始点和人为给定控制点的位置和气流方向角控制，其方程为y＝a1·x3+b1·x2+c1·x+d1，式中的系数可由这两点的参数表达，c1＝tan(θs)、d1＝Rc，其中L、θs、θe、Rc和Rd分别为起始点与曲线控制点处的轴向距离、起始点处的倾角、控制点处的倾角、起始点处的半径、控制点处的半径；②给定L、θs、Rc和Rd，调节θe，或者给定θs、θe、Rc和Rd，调节L来修正曲线形状，然后在基本流场等熵压缩段产生的来流条件下，应用特征线法确定该曲线生成的反射激波形状及波后依赖域的流场参数分布；③应用割线法，对比②生成的反射激波顶点处的波后流场参数与出口截面上边界处的目标参数，并针对二者的差值调节θe或调节L，然后返回②重新计算，直到反射激波顶点处的波后流场参数与出口截面上边界的流场参数一致时为止。3.如权利要求1所述的出口截面流场参数可控的内转式进气道基本流场设计方法，其特征在于：所述根据反射激波顶点处的波后流场参数来设计可生成反射激波的气动型面的设计方法为在基本流场上边界产生的流场中，直接给定反射激波的形状，同时确保激波顶点处的波后流场参数与出口截面上边界的流场参数一致，然后应用给定激波反求型面的逆特征线法确定可生成该激波的物面，...

【专利技术属性】
技术研发人员：乔文友，余安远，吴颖川，王宇辉，黎崎，
申请(专利权)人：西南科技大学，中国人民解放军六三八二零部队吸气式高超声速技术研究中心，
类型：发明
国别省市：四川,51