基於型面流場控制的內收縮進氣道流場重構與驗證

《基於型面流場控制的內收縮進氣道流場重構與驗證》是依託南京航空航天大學，由王衛星擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：基於型面流場控制的內收縮進氣道流場重構與驗證
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：王衛星
• 依託單位：南京航空航天大學

項目摘要

三維內收縮進氣道流場參數分布不均，出口流場畸變大，導致進氣道性能下降。為進一步提升進氣道的性能，本項目擬開展基於型面流場控制的內收縮進氣道流場重構研究。初步研究結果顯示該設計概念能改善進氣道流場結構，提升進氣道性能。通過分析三維內收縮進氣道流動特徵及流動機理，提煉主導該類進氣道流動的關鍵因素； 基於受控型面設計進行流場重構，分析低能流遷移、流向渦產生、發展及傳輸過程，建立受控型面、波繫結構、壁面壓力分布、邊界層發展與流動特徵之間的內在聯繫，提煉關鍵型面設計參數，建立流場重構設計準則，揭示基於型面流場控制的流場重構機理；分析流場重構對進氣道出口流場、自起動性能及氣動性能的影響，發展基於型面流場控制的內收縮進氣道流場重構技術並開展風洞試驗驗證。本項目研究成果將為我國高超聲速推進系統相關技術的形成與發展提供理論依據與技術支持。

結題摘要

三維內轉式進氣道具有較高的氣流捕獲能力與壓縮效率，是高超聲速進氣道一個重要的發展方向，具有較好的套用前景。但三維內轉式進氣道流場參數分布不均且自起動困難。為改善內轉式進氣道的流場參數分布及氣動性能，本項目採用數值仿真與試驗驗證相結合的方法開展了基於型面流場控制的內轉式進氣道流動特性研究，提煉了關鍵的氣動影響因素、揭示了流動控制機理、給出了進氣道關鍵設計參數及相應的影響規律，獲得了基於型面流場控制的進氣道設計方案，完成了試驗驗證，驗證了本項目提出的型面流場控制概念的可行性。 首先，分析了典型內轉式進氣道的主要流動特徵。研究發現：唇罩激波與側壁邊界層干擾誘發的流向渦是該類進氣道流動特徵的主要影響因素，導致流場參數分布不均。 其次，在上述研究基礎上開展了內轉式進氣道型面流場控制研究，得到了進氣道控制型面的關鍵設計參數以及參數取值範圍，獲得了相應的影響規律。研究表明：中心線型及其偏距是控制型面的關鍵設計參數，在研究範圍內，合理設定上述參數可以改善進氣道的流場參數分布，提高進氣道性能。 再次，分析了型面流動控制關鍵參數對進氣道流動性能的影響機制。本項目提出的內轉式進氣道型面流動控制方案影響邊界層的發展與空間分布，改善邊界層周向分布的均勻性。重構唇罩激波干擾區的壓力分布，可以控制流向渦的產生、發展以及空間分布。減小干擾區的橫向壓力梯度可以減弱流向渦強度，使流向渦向流場中間偏移，提高流場參數分布的周向均勻性。 最後，在上述研究基礎上，給出了基於型面流動控制的內轉式進氣道較優設計方案，開展了典型狀態的試驗驗證。 在研究範圍內，與原型進氣道相比，基於型面流場控制的進氣道能夠大幅度提高進氣道的氣動性能，出口總壓恢復係數、最大抗反壓分別相對提高26%、20%；自起動馬赫數從6.3降到5.4。 本項目獲得的氣動控制機制與相關規律，對該類進氣道的流動控制與最佳化具有重要的科學與工程套用價值。