某埋入式進(jìn)氣道氣動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究

徐志超?趙振山?馮劍

摘 要 針對(duì)某埋入式進(jìn)氣道基礎(chǔ)構(gòu)型，開(kāi)展特定來(lái)流條件下的數(shù)值模擬，針對(duì)進(jìn)氣道內(nèi)、外流場(chǎng)特性進(jìn)行分析;在對(duì)進(jìn)氣道基礎(chǔ)構(gòu)型氣動(dòng)、流場(chǎng)特性分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)進(jìn)氣道幾何構(gòu)型的若干優(yōu)化方案;針對(duì)多組優(yōu)化構(gòu)型進(jìn)行數(shù)值模擬，并與基礎(chǔ)構(gòu)型對(duì)比，獲得更高性能的進(jìn)氣道優(yōu)化構(gòu)型;采用風(fēng)洞試驗(yàn)對(duì)基礎(chǔ)構(gòu)型、優(yōu)化構(gòu)型進(jìn)行研究驗(yàn)證，確認(rèn)進(jìn)氣道優(yōu)化方案氣動(dòng)特性顯著優(yōu)于基礎(chǔ)方案。

關(guān)鍵詞 埋入式進(jìn)氣道;氣動(dòng)特性;優(yōu)化設(shè)計(jì);數(shù)值模擬;風(fēng)洞試驗(yàn)

引言

埋入式進(jìn)氣道由于其與飛行器機(jī)身融于一體的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，除了能有效地減少雷達(dá)散射截面積，提高飛行器的生存能力外，還能大幅度地減小飛行器的迎風(fēng)面積，降低迎風(fēng)阻力。埋入式進(jìn)氣道的設(shè)計(jì)及其性能的研究已引起了國(guó)內(nèi)外的廣泛注意[1-4]。

埋入式進(jìn)氣道的特點(diǎn)是：①進(jìn)口埋入機(jī)身或機(jī)翼的常規(guī)外形之中，氣流經(jīng)過(guò)一個(gè)緩慢傾斜的長(zhǎng)斜板通道引人進(jìn)口。②該斜板初始端狹窄，其擴(kuò)散的尖緣側(cè)壁一直連到進(jìn)口展向的末端。這種精巧設(shè)計(jì)的作用在于擴(kuò)散側(cè)壁切斷流線，產(chǎn)生一個(gè)渦的運(yùn)動(dòng)，把斜板附面層掃向旁邊，并使一部分附面層通過(guò)進(jìn)口的兩端流向外流區(qū)。

在國(guó)外，美國(guó)的ACM和ACM-129巡航彈采用了埋入式進(jìn)氣道，確認(rèn)其高亞速性能已達(dá)到了實(shí)用程度。在國(guó)內(nèi)，研究人員亦對(duì)埋入式進(jìn)氣道進(jìn)行了系列研究，郭榮偉等提出了氣動(dòng)S彎概念，即進(jìn)氣道的內(nèi)、外流管呈S彎形狀;夏陽(yáng)運(yùn)用這一方法成功地設(shè)計(jì)出一個(gè)三維埋入式進(jìn)氣道;楊?lèi)?ài)玲對(duì)該種埋入式進(jìn)氣道進(jìn)行了二維數(shù)值分析和流場(chǎng)的雷諾應(yīng)力測(cè)量及頻譜分析[5-6]。

近年的研究表明，盡管埋入式進(jìn)氣道一般情況下不能直接利用來(lái)流沖壓，容易導(dǎo)致總壓恢復(fù)降低，甚至導(dǎo)致攝入空氣流量不足，但是通過(guò)精細(xì)化設(shè)計(jì)內(nèi)管道和唇口的氣動(dòng)型面，還是可以在一定程度上實(shí)現(xiàn)增大氣流攝入，提高性能、降低畸變效果。當(dāng)前，通過(guò)對(duì)埋入式進(jìn)氣道設(shè)計(jì)優(yōu)化以提升其性能，是該類(lèi)型進(jìn)氣道研究的一個(gè)重點(diǎn)。

1基礎(chǔ)構(gòu)型流場(chǎng)特性

1.1 控制方程及湍流模型

全機(jī)流場(chǎng)計(jì)算基于求解N-S方程。笛卡兒坐標(biāo)系下雷諾平均N-S方程（RANS）方程為[7-8]：

和分別為無(wú)粘、有粘通量矩陣，為源項(xiàng)矢量。計(jì)算采用的湍流模型為顯式代數(shù)雷諾應(yīng)力模型。

1.2 計(jì)算數(shù)模提取

基于CFD數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)進(jìn)氣道性能進(jìn)行評(píng)估時(shí)，數(shù)模提取時(shí)可以忽略尾部舵面，同時(shí)需要對(duì)進(jìn)氣道出口，也就是進(jìn)氣道、發(fā)動(dòng)機(jī)氣動(dòng)交接面增加延長(zhǎng)段以使該處流動(dòng)自由發(fā)展，便于邊界條件的設(shè)定和測(cè)量，后延長(zhǎng)段長(zhǎng)度為2.0D（D為AIP截面圓環(huán)外徑）。

1.3 基礎(chǔ)構(gòu)型結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)數(shù)值模擬得到的流場(chǎng)特性分析可得以下結(jié)論：該狀態(tài)下進(jìn)氣道部分區(qū)域存在流場(chǎng)分離，其流動(dòng)分離受進(jìn)氣道型面、進(jìn)氣道/彈體銜接位置以及入口形狀的影響，導(dǎo)致進(jìn)入進(jìn)氣道的氣流在逆壓梯度作用下產(chǎn)生局部流動(dòng)分離。進(jìn)氣道流動(dòng)分離最終導(dǎo)致進(jìn)氣道AIP上部存在明顯的低總壓區(qū)，造成進(jìn)氣道整體氣動(dòng)性能較差。

2進(jìn)氣道優(yōu)化設(shè)計(jì)方法[9-11]

2.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)選擇

埋入式進(jìn)氣道優(yōu)化設(shè)計(jì)主要考慮以下參數(shù)：

（1）進(jìn)氣道的中心線形狀的設(shè)計(jì)。

（2）截面積沿程分布規(guī)律的設(shè)計(jì)。

（3）降低流場(chǎng)畸變、增加總壓恢復(fù)的喉道參數(shù)設(shè)計(jì)。

（4）進(jìn)氣道唇口修型。

2.2 氣動(dòng)S彎設(shè)計(jì)優(yōu)化

氣流經(jīng)過(guò)埋入式進(jìn)氣道進(jìn)氣口時(shí)會(huì)形成一種類(lèi)似S彎進(jìn)氣道第一彎段的扁流管，與內(nèi)流管一起形成一個(gè)氣動(dòng)S彎管。根據(jù)這一氣動(dòng)S彎概念可知，如果設(shè)計(jì)出合適的管道型面和唇口，就可充分提高該氣動(dòng)S彎管的沖壓效率，使進(jìn)氣道的總壓恢復(fù)提高，畸變減小，因此，埋入式進(jìn)氣道內(nèi)管道設(shè)計(jì)可以借鑒S形進(jìn)氣道的設(shè)計(jì)方法。即先根據(jù)幾何參數(shù)和流量要求設(shè)計(jì)出S形進(jìn)氣道，然后該S形進(jìn)氣道和機(jī)身在指定位置按指定方式相貫形成埋入式進(jìn)氣道。

2.3 中心線設(shè)計(jì)

中心線形狀的設(shè)計(jì)是埋入式進(jìn)氣道設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)之一，因?yàn)橹行木€的形狀決定了氣流在進(jìn)氣道的偏轉(zhuǎn)情況，彎曲通道內(nèi)，氣流由于受離心力的作用，流場(chǎng)分布不均勻，畸變較大。中心線形狀的設(shè)計(jì)直接影響到進(jìn)氣道的氣動(dòng)性能。中線線坐標(biāo)主要參考以下變化函數(shù)：

（1）均勻變化：

（2）前緩后急：

（3）前急后緩：

2.4 面積律設(shè)計(jì)

擴(kuò)壓管截面形狀對(duì)它的性能有影響，同樣面積率對(duì)進(jìn)氣道性能的影響顯著。埋入式進(jìn)氣道的面積分布規(guī)律決定了管內(nèi)流向擴(kuò)壓比的變化，不合適的面積分布加上彎曲通道內(nèi)氣流受離心力的作用，埋入式進(jìn)氣道內(nèi)的流動(dòng)很容易出現(xiàn)分離。

埋入式進(jìn)氣道通道面積適合先略微縮小，后擴(kuò)大，再變平緩，在一定程度上對(duì)氣流起了一個(gè)緩沖作用，改善了進(jìn)氣道出口的流場(chǎng)分布，從而大幅度地降低了進(jìn)氣道出口的流場(chǎng)畸變值。

2.5 喉道及唇口設(shè)計(jì)

進(jìn)氣道喉道設(shè)計(jì)面積是超音速進(jìn)氣道主要的控制參數(shù)之一。喉道馬赫數(shù)既反映進(jìn)氣道空氣流量的大小，也反映進(jìn)氣道的流動(dòng)狀態(tài)，對(duì)進(jìn)氣道性能有直接影響。對(duì)亞音速進(jìn)氣道，可以不設(shè)置喉道，從進(jìn)氣道進(jìn)口到出口全部為擴(kuò)散段，但是，一般亞音速進(jìn)氣道還是需要喉道設(shè)計(jì)，其主要的作用是對(duì)進(jìn)氣流動(dòng)進(jìn)行整流，可以降低出口流場(chǎng)畸變。

對(duì)于唇口，前唇口和后唇口均需要光順。前唇口是指埋入式進(jìn)氣道唇口在深度方向處于最低點(diǎn)前的那一部分，后唇口則是指深度方向上的最低點(diǎn)與相貫線的后段點(diǎn)之間的那一部分。對(duì)前唇口光順主要采用周向光滑不等距插值的方法。把進(jìn)氣道唇口所在范圍內(nèi)每個(gè)橫向截面與外圍的圓柱形面進(jìn)行光滑過(guò)渡。對(duì)后唇口光順則主要采用給定光順半徑規(guī)律進(jìn)行內(nèi)外型面的光滑過(guò)渡。

3進(jìn)氣道氣動(dòng)優(yōu)化方案

3.1 優(yōu)化方案氣動(dòng)設(shè)計(jì)

根據(jù)對(duì)進(jìn)氣道基礎(chǔ)構(gòu)型流場(chǎng)分析結(jié)論，確定了改變進(jìn)氣道進(jìn)口位置、唇緣修型、中心線修改、面積率修改的優(yōu)化方向。

首先，根據(jù)基礎(chǔ)構(gòu)型流場(chǎng)特征，第一優(yōu)化方案將唇口位置整體前移，唇口捕獲面積不變，進(jìn)氣道流道中心線相應(yīng)改變、面積率改變，內(nèi)流道相比基礎(chǔ)構(gòu)型整體略長(zhǎng)。接下來(lái)，第二優(yōu)化方案的設(shè)計(jì)中，在保持唇口位置、捕獲面積不變條件下，進(jìn)氣道流道在擴(kuò)張段下型面變化明顯，曲率相比第一方案更加小，逆壓梯度更加減小。

根據(jù)前兩個(gè)方案數(shù)值模擬結(jié)果，經(jīng)分析，依次調(diào)整面積率，并在擴(kuò)張段上、下型線均做出相應(yīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到多組優(yōu)化方案。優(yōu)化策略是：通過(guò)部分方案的數(shù)值模擬評(píng)估，確認(rèn)改變進(jìn)氣道哪些設(shè)計(jì)參數(shù)能夠更加有效地提高進(jìn)氣道性能;接著，進(jìn)一步開(kāi)展優(yōu)化設(shè)計(jì)，更加明確改變那些參數(shù)對(duì)提高性能更加有效;最后，設(shè)計(jì)了針對(duì)優(yōu)先參數(shù)改變的優(yōu)化構(gòu)型，開(kāi)展計(jì)算評(píng)估，優(yōu)選得到進(jìn)氣道最佳優(yōu)化構(gòu)型。

3.2 優(yōu)化方案數(shù)值模擬

在進(jìn)氣道設(shè)計(jì)狀態(tài)，數(shù)值模擬得到其總壓恢復(fù)系數(shù)及流場(chǎng)畸變指標(biāo)。圖1、圖2分別給出了進(jìn)氣道設(shè)計(jì)點(diǎn)、不同優(yōu)化方案數(shù)值模擬得到的總壓恢復(fù)系數(shù)及畸變指標(biāo)曲線。

分析表明：在進(jìn)氣道設(shè)計(jì)點(diǎn)，最優(yōu)構(gòu)型數(shù)值模擬得到值相比基礎(chǔ)方案提高1.4%。

4試驗(yàn)驗(yàn)證

分別以埋入式進(jìn)氣道基礎(chǔ)構(gòu)型、優(yōu)化構(gòu)型數(shù)模為基礎(chǔ)加工試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，在中?guó)航空工業(yè)空氣動(dòng)力研究院1.2米×1.2米風(fēng)洞開(kāi)展進(jìn)氣道試驗(yàn)。

試驗(yàn)內(nèi)容為：針對(duì)兩套進(jìn)氣道構(gòu)型，首先在設(shè)計(jì)狀態(tài)進(jìn)行吹風(fēng)試驗(yàn)，對(duì)比基礎(chǔ)構(gòu)型、優(yōu)化構(gòu)型氣動(dòng)特性，確定優(yōu)選方案。選擇優(yōu)選方案，開(kāi)展不同馬赫數(shù)、不同姿態(tài)下進(jìn)氣道試驗(yàn)，獲取性能數(shù)據(jù)和曲線。

5結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)開(kāi)展某埋入式進(jìn)氣道氣動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究，可得以下結(jié)論：

（1）通過(guò)對(duì)進(jìn)氣道基礎(chǔ)構(gòu)型數(shù)值模擬研究，明確了進(jìn)氣道部分區(qū)域存在流場(chǎng)分離，并造成進(jìn)氣道整體氣動(dòng)性能較差的基本流動(dòng)機(jī)理。

（2）基于流動(dòng)機(jī)理分析，通過(guò)調(diào)整進(jìn)氣道中心線、截面面積律、喉道及唇口設(shè)計(jì)參數(shù)，獲得了11個(gè)進(jìn)氣道氣動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)構(gòu)型，通過(guò)數(shù)值模擬得到進(jìn)氣道優(yōu)化構(gòu)型，優(yōu)化構(gòu)型進(jìn)氣道總壓恢復(fù)系數(shù)顯著高于基礎(chǔ)構(gòu)型，畸變指標(biāo)與基礎(chǔ)構(gòu)型基本一致。

（3）風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果表明，在進(jìn)氣道設(shè)計(jì)狀態(tài)優(yōu)化構(gòu)型總壓恢復(fù)系數(shù)顯著高于基礎(chǔ)構(gòu)型，與基礎(chǔ)構(gòu)型相當(dāng);在其它流動(dòng)狀態(tài)，優(yōu)化構(gòu)型性能總體顯著優(yōu)于基礎(chǔ)構(gòu)型，二者畸變指標(biāo)值相當(dāng)。

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作者簡(jiǎn)介

趙振山（1980-），男，山東淄博人;畢業(yè)院校：航空研究院，專(zhuān)業(yè)：流體力學(xué)，學(xué)歷：碩士研究生，高級(jí)工程師，現(xiàn)就職單位：中國(guó)航空工業(yè)空氣動(dòng)力研究院，研究方向：內(nèi)流空氣動(dòng)力學(xué)。