可控壁面压力梯度的边界层吸入式进气道制造技术

本公开提供了一种可控壁面压力梯度的边界层吸入式进气道，所述进气道的出口截面形状为圆形；所述进气道的进口截面形状由上下两个半椭圆形状组成；所述进气道的出口和进口之间的沿程截面形状均由上下两个半椭圆形状组成；所述沿程截面的宽度相等；所述进口截面的上半椭圆的高度大于下半椭圆的高度；所述进气道的半程截面处的上半椭圆的高度大于下半椭圆的高度。

【技术实现步骤摘要】
可控壁面压力梯度的边界层吸入式进气道
本公开涉及飞机进气系统领域，尤其涉及一种可控壁面压力梯度的边界层吸入式进气道。
技术介绍
随着航空技术的不断发展，一些新的飞机布局形式逐渐出现在人们视野中，其中翼身融合体(BlendedWingBody,BWB)就是一种具有广泛应用前景的布局形式。翼身融合体由于高度的机身机翼一体化设计，进气系统往往半埋入式安装在机翼上方或者机背后部，这不可避免地会摄入机身或者机翼发展而来的附面层，因此对应的进气道被称为边界层吸入式(boundarylayeringestion,BLI)进气道。与传统的进气道相比，BLI进气道同样采用S型进气道，但是其具有显著优势。从气动性能上看，BLI进气道吸入附面层的同时加速机身上表面气流，减小上表面压力，增大了升力，提高升阻比；由于来流速度降低，发动机为了达到足够的推力要求需要对气体输入的能量就越少，有望降低其耗油率。从结构上看，由于BLI发动机嵌入机身的设计，可以进一步减小浸润面积，降低摩擦阻力；另外，BLI进气道为紧凑的S形弯道，大幅度缩减了发动机长度和飞机长度，减轻飞机的重量。对于军用飞机来说，BLI进气道能够有效提高飞机的隐身性能，这是因为BLI进气道安装在机身后部，加上嵌入机身的S形设计，可以有效降低雷达散射面积。对于民用客机，BLI进气道的这种安装方式和结构减少了噪声的向前传播，消除了机翼下表面对发动机排气噪声波的反射。翼身融合布局飞机具有很大的潜在优势，但大曲率、短扩压的BLI嵌入式进气道会存在法向压力和轴向压力双重逆压梯度，使得气流在进气道中难以贴服于进气道中变化的壁面，造成气流的分离和漩涡的产生，另外由于吸入机身附面层，进一步加剧了出口畸变，这必然会造成进气道气动性能下降，进而影响风扇的性能。从翼身融合体的概念提出到现在，国内外学者对BLI进气道进行了大量研究，针对其设计方法有如下成果。早期S形进气道的设计大都采用中心线变化和面积变化规律的组合方式，主要基于传统的经验方程。根据传统的变化规律方程人们对于进气道的设计进行了大量的尝试，在具体进行设计时需要根据设计点参数和飞行状态合理选择中心线和面积变化的规律方程，这样才能使进气道性能达到最优。Rodriguez等对BLI进气道进行了多目标优化设计，把来流攻角、出口背压、唇口型线等作为优化变量，把总压恢复系数、总压畸变系数、升力系数、阻力系数耗油率等作为优化目标，通过基于压力梯度的优化算法迭代得到最优的进气道几何。Lee等用基于伴随矩阵的方法进行S形进气道的优化设计，将很多个设计参数用伴随矩阵来表示，同样提高了进气道的性能。Knight等开发了一种新的方法来集成最先进的计算流体力学(ComputationalFluidDynamics,CFD)分析，将非均匀有理B样条技术与优化理论结合来进行三维S形进气道的设计与优化，该方法可以进行自动的再设计。Berrier等设计了不同宽高比、入口质量流量比、雷诺数，进口宽高比下的BLI进气道，之后进行了数值模拟和实验研究，得出了BLI进气道性能参数随这些变量的变化规律，这对以后的研究有重要的指导意义。Zhang等在其研究中用HicksHenne函数作为计算中心线、横截面积和形状变化的基函数来对中心线和面积变化规律进行优化，用卡比正交分解法在最小二乘法下产生最优解，优化后进气道气动性能有明显改善。综上，当前常用的BLI进气道设计方法是使用中心线和面积变化规律或在其基础上进行一定的改进或优化，对于进气道性能有了一定程度的提升，但是仍然存在一个重要问题，即并未直接建立壁面几何与气动参数之间的动力学关联，从而不能很好解决BLI进气道面临的流动分离严重、出口畸变大等问题，制约BLI进气道的应用及BWB布局飞行器的研制。
技术实现思路
为了解决至少一个上述技术问题，本公开提出了一种可控壁面压力梯度的边界层吸入式进气道。根据本公开的一个方面，可控壁面压力梯度的边界层吸入式进气道的出口截面形状为圆形；所述进气道的进口截面形状由上下两个半椭圆形状组成；所述进气道的出口和进口之间的沿程截面形状均由上下两个半椭圆形状组成；所述沿程截面的宽度相等；所述进口截面的上半椭圆的高度大于下半椭圆的高度；所述进气道的半程截面处的上半椭圆的高度大于下半椭圆的高度。根据本公开的至少一个实施方式，所述沿程截面的面积通过所述沿程截面的高度计算得到，所述沿程截面的几何形状由上下两个半椭圆的高度比决定，其中，所述沿程截面面积满足如下关系式：上式中，A(x)表示沿程截面的面积，h0表示沿程截面的上半椭圆高度，hi表示沿程截面的下半椭圆高度，hx＝ho+hi表示沿程截面的高度。根据本公开的至少一个实施方式，对所述进气道的中心线进行设计时，采用分段设计，所述中心线的分段表达式如下式所示：上式中，a0、a1、a2、a3分别表示前半程壁面型线方程待求系数，b0、b1、b2、b3分别表示后半程壁面型线方程待求系数，xO1表示进口x方向坐标，xO2表示出口x方向坐标，xOc表示断点x方向坐标。根据本公开的至少一个实施方式，所述进气道的二维流道的形状根据无量纲参数和确定，其中，为所述进气道的内壁面的压力负荷系数，为所述进气道的二维流道的扩张系数，和满足如下关系式：其中，和分别表示所述二维流道的内壁面曲线的进口坐标、出口坐标和分段点坐标；和分别表示所述二维流道的外壁面曲线的进口坐标、出口坐标和分段点坐标。根据本公开的至少一个实施方式，所述进口截面的上下两个半椭圆的高度比为9:1。根据本公开的另一方面，一种可控壁面压力梯度的边界层吸入式进气道的设计方法，包括以下步骤：对所述进气道的二维内壁面型线和二维外壁面型线分别进行设计，获得所述进气道的二维壁面模型；通过调整所述进气道的内壁面的压力负荷系数和所述进气道的二维流道的扩张系数，优化所述二维壁面模型；将所述进气道的出口截面形状设计为圆形，进口截面以及沿程截面的形状设计为由上下两个半椭圆形状组成；基于所述二维壁面模型以及所述进气道的出口、进口和沿程截面的形状，通过所述沿程截面的面积获取所述沿程截面形状的分布方式，从而得到所述进气道的三维模型；调整半程截面处的上下半椭圆的高度比，优化所述三维模型；以及基于优化后的所述三维模型，使用进气道几何数据建立参数化的边界层吸入式进气道。根据本公开的至少一个实施方式，对所述进气道的二维内壁面型线和外壁面型线分别进行设计的步骤，包括：将所述内壁面型线和外壁面型线分别等分为两段弧线；在所述内壁面型线分段处和所述外壁面型线分段处的曲线连续光滑，所述内壁面型线和所述外壁面型线的分段点的斜率和曲率相等。根据本公开的至少一个实施方式，所述压力负荷系数表示气流在所述进气道内壁面处的偏转情况，所述压力负荷系数满足如下关系式：其中，和分别表示所述二维流道的内壁面曲线的进口坐标、出口坐标和分段点坐标；所述扩张系数表示所述二维流道的扩张程度，所述扩张系数满足如下关系式：其中，和分别表示所述二维流道的外壁面曲线的进口坐标、出口坐标和分段点坐标。根据本公开的至少一个实施方式，所述半程截面处的上下半椭圆的高度比满足如下关系式：其中，表示所述半程截面处的上下半椭圆的高度比，表示所述半程截面处的上半椭圆的高度，表示所述半程截面处的下半椭圆的高度，N本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种可控壁面压力梯度的边界层吸入式进气道，其特征在于，所述进气道的出口截面形状为圆形；所述进气道的进口截面形状由上下两个半椭圆形状组成；所述进气道的出口和进口之间的沿程截面形状均由上下两个半椭圆形状组成；所述沿程截面的宽度相等；所述进口截面的上半椭圆的高度大于下半椭圆的高度；所述进气道的半程截面处的上半椭圆的高度大于下半椭圆的高度。

【技术特征摘要】
1.一种可控壁面压力梯度的边界层吸入式进气道，其特征在于，所述进气道的出口截面形状为圆形；所述进气道的进口截面形状由上下两个半椭圆形状组成；所述进气道的出口和进口之间的沿程截面形状均由上下两个半椭圆形状组成；所述沿程截面的宽度相等；所述进口截面的上半椭圆的高度大于下半椭圆的高度；所述进气道的半程截面处的上半椭圆的高度大于下半椭圆的高度。2.根据权利要求1所述的进气道，其特征在于，所述沿程截面的面积通过所述沿程截面的高度计算得到，所述沿程截面的几何形状由上下两个半椭圆的高度比决定，其中，所述沿程截面面积满足如下关系式：上式中，A(x)表示沿程截面的面积，h0表示沿程截面的上半椭圆高度，hi表示沿程截面的下半椭圆高度，hx＝ho+hi表示沿程截面的高度。3.根据权利要求1或2所述的进气道，其特征在于，对所述进气道的中心线进行设计时，采用分段设计，所述中心线的分段表达式如下式所示：上式中，a0、a1、a2、a3分别表示前半程壁面型线方程待求系数；b0、b1、b2、b3分别表示后半程壁面型线方程待求系数，xO1表示进口x方向坐标，xO2表示出口x方向坐标，xOc表示断点x方向坐标。4.根据权利要求3所述的进气道，其特征在于，所述进气道的二维流道的形状根据无量纲参数和确定，其中，为所述进气道的内壁面的压力负荷系数，为所述进气道的二维流道的扩张系数，和满足如下关系式：其中，和分别表示所述二维流道的内壁面曲线的进口坐标、出口坐标和分段点坐标；和分别表示所述二维流道的外壁面曲线的进口坐标、出口坐标和分段点坐标。5.根据权利要求4所述的进气道，其特征在于，所述进口截面的上下两个半椭圆的高度比为9:1。6.一种可控壁面压力梯度的边界层吸入式进气道的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：对所述进气道的二维内壁面型线和二维外壁面型线分别进行设计，获得所述进气道的二维壁面模型；通过调整所述进气道的...

【专利技术属性】
技术研发人员：潘天宇，李志平，李秋实，郑孟宗，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11