“Λ”型凸臺(tái)對(duì)低隔道亞聲速S彎進(jìn)氣道的流場控制研究

摘 要：針對(duì)某無人機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)低隔道亞聲速S彎進(jìn)氣道出口流場畸變較大的問題，研究一種利用隔道內(nèi)置“Λ”型凸臺(tái)生成反向渦抑制出口畸變的流場控制手段。通過數(shù)值仿真分析“Λ”型凸臺(tái)結(jié)構(gòu)對(duì)抑制流場畸變的作用機(jī)制，給出不同來流條件下凸臺(tái)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)進(jìn)氣道出口總壓恢復(fù)系數(shù)和流場畸變的影響規(guī)律。研究表明：畸變控制效果與凸臺(tái)幾何尺寸密切相關(guān)，合理設(shè)計(jì)的凸臺(tái)對(duì)出口畸變抑制效果明顯。

關(guān)鍵詞：無人機(jī)；亞聲速進(jìn)氣道；S彎進(jìn)氣道；流場畸變；流場控制；數(shù)值仿真

中圖分類號(hào)：V228.7 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號(hào)：1671-5276（2024）04-0259-05

Research on Flow Field Control of “Λ” Type Step on Low Diverter Subsonic S-duct Inlet

TANG Xiaosong， JIN Zhiguang

（College of Energy and Power Engineering， Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， Nanjing 210016， China）

Abstract：Aimed at the large distortion of the flow field at the outlet of low diverter subsonic S-shaped inlet， a new control method for reducing outlet distortion by reverse vortices generated by “Λ” type step is studied. The mechanism of the suppression of flow field distortion by “Λ” type step is analyzed by numerical simulation， and the influence law of step structure parameters on the total pressure recovery and flow field distortion of the inlet outlet under different flow conditionsn is given. The research shows that the effect of suppressing distortion is closely related to the geometric size of the step， and the reasonably designed step has obvious improvement effect on the outlet distortion.

Keywords：unmanned aerial vehicle; subsonic inlet; S-duct inlet; flow field distortion; flow field control; numerical simulation

0 引言

S彎進(jìn)氣道具有緊湊的結(jié)構(gòu)和良好的隱身特性，被廣泛應(yīng)用于無人機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)。因有著特殊的雙彎式中心線和漸擴(kuò)式變截面結(jié)構(gòu)，使其內(nèi)部存在著復(fù)雜的三維有旋流動(dòng)，這通常會(huì)引起進(jìn)氣道出口畸變的增加和總壓的下降并給進(jìn)發(fā)匹配帶來困難。國內(nèi)外眾多學(xué)者針對(duì)S彎進(jìn)氣道進(jìn)行了研究，ANABTAWI等^[1]通過試驗(yàn)研究了進(jìn)氣道偏距與內(nèi)部流動(dòng)特性的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)偏距明顯影響進(jìn)氣道內(nèi)的壓力梯度進(jìn)而影響出口性能。BERRIER等^[2]研究了進(jìn)氣道入口形狀對(duì)其性能的影響，結(jié)果表明，對(duì)于進(jìn)口為半橢圓的進(jìn)氣道在相同進(jìn)出口條件下，長軸越長其出口總壓恢復(fù)越低且畸變?cè)酱?。王云飛等^[3]研究了S彎進(jìn)氣道偏距和長度對(duì)氣動(dòng)特性的影響。寧樂等^[4]基于無隔道式S彎進(jìn)氣道仿真對(duì)比了有、無附面層吸入時(shí)進(jìn)氣道內(nèi)部的流動(dòng)結(jié)構(gòu)，并分析了附面層對(duì)進(jìn)氣道流動(dòng)特性的影響。

在空間受限的機(jī)體內(nèi)設(shè)計(jì)出性能優(yōu)越的進(jìn)氣道，除了進(jìn)氣道本身的型面設(shè)計(jì)以外還需借助流動(dòng)控制技術(shù)來優(yōu)化進(jìn)氣道流場結(jié)構(gòu)。為了排除附面層，可采用在進(jìn)口設(shè)置隔道的方式，但只有在隔道高度足夠高時(shí)才能完全奏效。對(duì)于無隔道式S彎進(jìn)氣道，通常也會(huì)采用更為復(fù)雜的流動(dòng)控制措施以減小附面層流入對(duì)進(jìn)氣道性能帶來的不利影響，如在進(jìn)氣道內(nèi)部安裝渦流發(fā)生器^[5-6]、開孔抽吸或吹除^[7-8]以及在進(jìn)氣道進(jìn)口前設(shè)置鼓包^[9-10]等。這些措施在一定程度上都能對(duì)進(jìn)氣道性能帶來增益，但同時(shí)也可能引起進(jìn)氣道阻力增加或隱身效果變差等缺點(diǎn)。

本文針對(duì)某無人機(jī)低隔道S彎進(jìn)氣道，為解決因吞入機(jī)身附面層導(dǎo)致的出口畸變?cè)龃髥栴}研究了一種利用“Λ”型凸臺(tái)反向渦抑制流場畸變的流場控制方法。

1 研究方法

1.1 S彎進(jìn)氣道設(shè)計(jì)

圖1所示為該S彎進(jìn)氣道采用“前急后緩”的中心線變化規(guī)律和“緩急相當(dāng)”的沿程截面面積變化規(guī)律^[11]。進(jìn)口為超橢圓，受空間尺寸限制，設(shè)計(jì)得較為扁平，出口為圓形。唇口外側(cè)采用NACA-1系列翼型經(jīng)縮放而成，唇口內(nèi)側(cè)為1/4圓弧。進(jìn)氣道關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

進(jìn)氣道設(shè)計(jì)狀態(tài)為：Ma_∞ = 0.8，p_∞ = 26 454Pa，α = 2°，T_∞ = 223.1K，出口折合流量為2.05kg/s。在上述狀態(tài)下，該進(jìn)氣道性能優(yōu)異。

1.2 進(jìn)氣道/機(jī)身一體化設(shè)計(jì)

按總體要求，此進(jìn)氣道采用腹部進(jìn)氣，受機(jī)體外部尺寸及內(nèi)部空間限制其隔道較低，遠(yuǎn)不足以排除機(jī)身附面層。在設(shè)計(jì)狀態(tài)下，機(jī)身附面層的吞入使進(jìn)氣道出口D_C60高達(dá)0.384，無法滿足工程使用要求。本文設(shè)計(jì)了一種進(jìn)氣道/機(jī)身一體化的“Λ”型凸臺(tái)裝置，用于降低進(jìn)氣道出口畸變，如圖2所示。凸臺(tái)呈“Λ”型，尖角從進(jìn)氣道進(jìn)口下方伸出，其上表面與唇罩相連，下表面與機(jī)身相連，根部與機(jī)體平滑過渡。

該“Λ”型凸臺(tái)在進(jìn)氣道入口前將機(jī)身產(chǎn)生的厚附面層分流后向兩側(cè)排移，低能流通過下方隔道和機(jī)身側(cè)邊流走，同時(shí)氣流能夠在凸臺(tái)兩側(cè)壁面和頂部三角形壁面之間的后掠邊緣處產(chǎn)生漩渦效應(yīng)，此漩渦恰好與S彎進(jìn)氣道內(nèi)部因截面形狀變化產(chǎn)生的“對(duì)渦”方向相反，從而在一定程度上抑制S彎擴(kuò)張段內(nèi)的二次流動(dòng)并減小出口氣流畸變。

1.3 數(shù)值仿真方法

數(shù)值仿真通過商用流體計(jì)算軟件Fluent完成，用內(nèi)外流場耦合計(jì)算以獲得更加準(zhǔn)確的流場數(shù)據(jù)，采用三維可壓縮雷諾平均N-S方程和k-ω SST湍流模型。將機(jī)身周圍足夠大范圍內(nèi)的空間作為流場計(jì)算域，由于機(jī)身和進(jìn)氣道都為對(duì)稱設(shè)計(jì)，此處采用半模進(jìn)行計(jì)算。當(dāng)各方程殘差均下降4個(gè)數(shù)量級(jí)以上，且進(jìn)氣道進(jìn)出口流量穩(wěn)定時(shí)，認(rèn)為計(jì)算達(dá)到收斂。

綜合考慮計(jì)算域型面的復(fù)雜性和計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，帶機(jī)身計(jì)算時(shí)采用結(jié)構(gòu)/非結(jié)構(gòu)混合網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算。除進(jìn)氣道進(jìn)口附近復(fù)雜型面處采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格外，其余計(jì)算域均采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，總網(wǎng)格量約為600萬。不帶機(jī)身計(jì)算時(shí)全部為結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，網(wǎng)格量約為200萬。在進(jìn)氣道唇口等流場變化劇烈的區(qū)域和凸臺(tái)附近型面較為復(fù)雜的區(qū)域?qū)⒕W(wǎng)格進(jìn)行適當(dāng)加密，計(jì)算域網(wǎng)格劃分如圖3所示。

2 結(jié)果與討論

2.1 “Λ”型凸臺(tái)對(duì)流場畸變的控制作用分析

分別對(duì)單獨(dú)的S彎進(jìn)氣道、帶有機(jī)身無凸臺(tái)的S彎進(jìn)氣道以及帶有機(jī)身和凸臺(tái)的進(jìn)氣道進(jìn)行數(shù)值仿真。表2所示為3種情形下進(jìn)氣道出口性能，其中凸臺(tái)長60mm，起始角度為30°，側(cè)邊為直線型?？梢妿C(jī)身后有、無凸臺(tái)進(jìn)氣道出口總壓恢復(fù)系數(shù)均有所下降，帶凸臺(tái)時(shí)出口的總壓恢復(fù)較無凸臺(tái)下降0.4%，同時(shí)周向畸變指數(shù)D_C60降低47.1%，綜合畸變指數(shù)w降低47.3%。這說明增加凸臺(tái)后可以通過較小的性能損失換得較大的畸變改善，“Λ”型凸臺(tái)對(duì)進(jìn)氣道出口畸變抑制效果明顯。

圖4為不帶機(jī)身計(jì)算時(shí)進(jìn)氣道內(nèi)部流場，可見進(jìn)氣道的總壓損失主要發(fā)生在上下壁面，氣流畸變主要在下壁面發(fā)展。進(jìn)氣道的第一個(gè)彎偏轉(zhuǎn)較急，使得氣流在下壁面附近發(fā)生較大分離，在過渡段內(nèi)進(jìn)氣道型面由超橢圓轉(zhuǎn)為圓，寬度收縮導(dǎo)致氣流流動(dòng)受限，在向出口流動(dòng)的同時(shí)還向?qū)ΨQ面流動(dòng)并由此產(chǎn)生橫向二次流動(dòng)，二次流與原本靠近中心位置處的流線相互纏繞使畸變?cè)黾?。在壁面幾何形狀和氣流壓力梯度的綜合作用下，下壁面附近氣流向內(nèi)卷起生成“對(duì)渦”，由此帶來的摻混損失加快了總壓的下降。上壁面的氣流分離主要發(fā)生在第二個(gè)彎處，但由于此彎偏轉(zhuǎn)較緩使氣流分離較小，且分離后繼續(xù)流動(dòng)的距離較短，因此氣流在上壁面出口處未發(fā)展成較大的渦?？傮w來看此S彎進(jìn)氣道出口總壓恢復(fù)較高，畸變較小。

圖5為帶機(jī)身無凸臺(tái)時(shí)進(jìn)氣道進(jìn)口附近流場，圖中對(duì)稱面位置為氣流總壓恢復(fù)系數(shù)云圖，機(jī)身和其他壁面處為靜壓云圖。可見因隔道較低，機(jī)身附面層未能完全排除，由唇口將機(jī)身附面層分為兩股，一股流入進(jìn)氣道，另一股流經(jīng)隔道從機(jī)身外側(cè)離開，注意到后者與隔道壁面相撞后靜壓升高，氣流在隔道內(nèi)無法順暢排走并逐漸聚集，流動(dòng)方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)并在此處形成了渦，此渦將上層附面層抬起，使得進(jìn)入進(jìn)氣道內(nèi)部的低能流增多。圖6為帶機(jī)身時(shí)進(jìn)氣道內(nèi)部流場分布，進(jìn)口處低能流高度占比最高可達(dá)進(jìn)氣道進(jìn)口高度的1/3，由于入口低能流占據(jù)較大比例，使得進(jìn)氣道內(nèi)氣流抗分離能力急劇減弱及橫向二次流動(dòng)增強(qiáng)，在同樣壁面形狀下形成的對(duì)渦尺度更大，摻混損失也更大，由此帶來了出口總壓的下降和畸變的增加。

在隔道高度不變的條件下增設(shè)“Λ”型凸臺(tái)以改善進(jìn)氣道出口畸變，圖7為此時(shí)進(jìn)氣道進(jìn)口附近流場。凸臺(tái)將來自機(jī)身的附面層分為兩層，下層附面層動(dòng)能較小無法抵抗沿流向逆壓梯度，直接沿橫向從隔道排向機(jī)身外側(cè)，上層動(dòng)能較大的附面層能夠抵抗沿流向逆壓梯度，越過凸臺(tái)上表面流入進(jìn)氣道內(nèi)部。此外，添加凸臺(tái)后氣流提前與凸臺(tái)壁面相撞，氣流流動(dòng)的橫向偏轉(zhuǎn)角更小，底層附面層向機(jī)身外側(cè)流動(dòng)得更順暢。因此沒有產(chǎn)生能將上層附面層抬起的渦，減少了進(jìn)入進(jìn)氣道的低能流。

在添加凸臺(tái)后進(jìn)氣道內(nèi)部流場也發(fā)生了較大變化，如圖8所示。流入進(jìn)氣道的附面層在進(jìn)入進(jìn)口前先經(jīng)過凸臺(tái)作用獲得向內(nèi)和向上的速度分量，具有了發(fā)展成渦的趨勢(shì)，之后在進(jìn)氣道內(nèi)逐漸發(fā)展成一對(duì)由兩側(cè)向中心卷起的渦，如圖9所示。其方向正好與進(jìn)氣道內(nèi)部因截面形狀變化生成的對(duì)渦方向相反，從而一定程度上抑制后者的發(fā)展，降低出口畸變，但同時(shí)也因?yàn)閾交鞄砹艘欢ǖ目倝簱p失。

2.2 “Λ”型凸臺(tái)外形對(duì)不同攻角下流場畸變控制效果研究

在研究“Λ”型凸臺(tái)的幾何外形對(duì)進(jìn)氣道出口總壓恢復(fù)和出口畸變的影響規(guī)律時(shí)，考慮到機(jī)身需帶攻角飛行，仿真過程中來流攻角設(shè)置為-2°、2°、-10°和10°，其他條件與設(shè)計(jì)狀態(tài)相同。

1）凸臺(tái)側(cè)邊形狀對(duì)出口性能的影響

圖10（a）所示為“Λ”型凸臺(tái)的外形參數(shù)，包括伸出長度L₁、根部寬度L₂和側(cè)邊起始角度θ。首先對(duì)凸臺(tái)側(cè)邊形狀進(jìn)行研究，在固定L₁=90mm和L₂=52mm的情況下通過改變?chǔ)瓤梢缘玫揭唤M不同變化規(guī)律的圓弧線段，如圖10（b）所示編號(hào)a-e對(duì)應(yīng)的θ值依次為10°、20°、30°、40°和50°。

仿真結(jié)果如圖11和圖12所示，可見在攻角為±2°和±10°時(shí)出口D_C60和綜合畸變指數(shù)都在θ=30°時(shí)最小，此時(shí)對(duì)應(yīng)的側(cè)邊型線為直線。θ取較小值時(shí)進(jìn)入進(jìn)氣道的有旋流漩渦強(qiáng)度太小，所起的畸變改善效果也很弱；θ取較大值時(shí)氣流沿流向的逆壓梯度更大，附面層沿橫向向機(jī)身外側(cè)排移較多，能越過凸臺(tái)進(jìn)入進(jìn)氣道的有旋流極少，所引起的畸變抑制效果也極弱。在-10°攻角下表現(xiàn)出與其他攻角相反的規(guī)律，其原因?yàn)樵诖筘?fù)攻角下氣流掃過機(jī)身在背風(fēng)側(cè)卷起一對(duì)較大的渦，其方向由機(jī)身兩側(cè)向?qū)ΨQ面卷起，正好與凸臺(tái)產(chǎn)生的渦方向相同。在機(jī)身與凸臺(tái)產(chǎn)生的渦共同作用下使原本進(jìn)氣道內(nèi)部的渦消散，但由于前者強(qiáng)度過大，其使后者消散后自身仍有余留并帶來了出口畸變。因此在-10°攻角下θ取小角度時(shí)，出口畸變更小，θ增大后凸臺(tái)產(chǎn)生的渦強(qiáng)度更大，出口畸變?cè)龃螅却笥?0°后因進(jìn)入進(jìn)氣道的有旋流過少凸臺(tái)不起明顯作用。圖12反映了出口總壓恢復(fù)系數(shù)和凸臺(tái)側(cè)邊型線起始角度的關(guān)系，可見出口總壓變化幅度極小?？偟膩砜赐ㄟ^犧牲極少的總壓恢復(fù)來改善出口畸變的效果是顯著的。

2）凸臺(tái)伸出長度對(duì)出口性能的影響

保持凸臺(tái)側(cè)邊為直線型和起始角度θ=30°不變，研究伸出長度L₁對(duì)出口性能的影響。圖13為出口D_C60和綜合畸變指數(shù)隨L₁的變化規(guī)律，可見在攻角為±2°和±10°下，隨著L₁取值的增加出口畸變均先下降再減小。θ和側(cè)邊形狀不變時(shí)隨著L₁的增加其根部寬度L₂隨之增加。此時(shí)越過凸臺(tái)進(jìn)入進(jìn)氣道內(nèi)部的有旋流流量增多，發(fā)展成的渦強(qiáng)度增加，對(duì)出口畸變的改善效果增強(qiáng)。不同攻角下L₁最佳取值不同，-2°攻角下為90mm，而2°攻角下為60mm，原因在于-2°攻角下彈身附面層更厚，L₁增長使附面層下層部分向側(cè)邊排移得更早，同時(shí)由于L₂的增加使進(jìn)入進(jìn)氣道的有旋流增多。綜合作用下，-2°攻角較2°攻角L₁取值更長時(shí)對(duì)出口畸變的抑制效果更好。在-10°攻角下L₁長度為0mm即不加凸臺(tái)時(shí)效果最好，原因?yàn)檩^大負(fù)攻角下氣流掃過機(jī)身產(chǎn)生的渦進(jìn)入進(jìn)氣道后也對(duì)進(jìn)氣道出口畸變有改善作用，添加凸臺(tái)后反而帶入了多余的反向渦，對(duì)出口畸變改善造成負(fù)面效應(yīng)。各攻角下在L₁取值小于或大于最佳取值時(shí)，出口畸變均有所增加。這表明存在一個(gè)最佳長度L₁，使“Λ”型凸臺(tái)對(duì)進(jìn)氣道出口畸變的改善效果最好，并且不同攻角下這個(gè)值是變化的。圖14為“Λ”型凸臺(tái)長度對(duì)進(jìn)氣道出口氣流總壓恢復(fù)的影響，總體上總壓恢復(fù)變化較小。

3 結(jié)語

本文通過數(shù)值仿真對(duì)低隔道內(nèi)置“Λ”型凸臺(tái)的附面層排移裝置進(jìn)行了研究，得到以下結(jié)論：

1）在低隔道的基礎(chǔ)上增設(shè)“Λ”型凸臺(tái)后可使機(jī)身附面層提前轉(zhuǎn)向，附面層底層更容易從機(jī)身兩側(cè)排除，從而在隔道高度受限的條件下減少了進(jìn)入進(jìn)氣道的低能流；

2）“Λ”型凸臺(tái)可產(chǎn)生有旋流進(jìn)入進(jìn)氣道并發(fā)展成對(duì)渦，其方向與進(jìn)氣道因截面形狀變化生成的對(duì)渦方向相反，從而對(duì)進(jìn)氣道出口畸變進(jìn)行改善，但出口總壓恢復(fù)略有下降；

3）“Λ”型凸臺(tái)的幾何尺寸對(duì)出口畸變的抑制效果有較大影響，存在最佳起始角度和最佳伸出長度，使流場改善效果最好；

4）不同攻角下“Λ”型凸臺(tái)對(duì)出口畸變的控制效果不同，在正攻角和較小負(fù)攻角下畸變控制效果明顯，在較大負(fù)攻角下，有、無凸臺(tái)時(shí)出口畸變差別不大。

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收稿日期：2022-11-02