主動(dòng)流動(dòng)控制下載荷分離對(duì)進(jìn)氣道流場(chǎng)的影響研究

摘" 要：該文針對(duì)由于工程約束載荷艙布置在進(jìn)氣道前方的內(nèi)外流耦合載荷投放分離問題，運(yùn)用計(jì)算空氣動(dòng)力學(xué)耦合六自由度模型和動(dòng)態(tài)嵌套網(wǎng)格技術(shù)模擬載荷投放分離過程，并使用主動(dòng)流動(dòng)控制方法改善流場(chǎng)，分析評(píng)估有無主動(dòng)流動(dòng)控制時(shí)內(nèi)外流耦合一體的載荷投放分離運(yùn)動(dòng)特性及對(duì)內(nèi)流進(jìn)氣道流場(chǎng)的影響。結(jié)果表明，主動(dòng)流動(dòng)控制可將進(jìn)氣道畸變指數(shù)DC（60）由0.561 2降至0.465 8，主動(dòng)流動(dòng)控制對(duì)改善進(jìn)氣道流場(chǎng)品質(zhì)有較大收益。

關(guān)鍵詞：內(nèi)埋載荷分離；進(jìn)氣道流場(chǎng)；嵌套網(wǎng)格；氣動(dòng)干擾；主動(dòng)流動(dòng)控制

中圖分類號(hào)：V211.3" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2024）25-0021-04

Abstract： In this paper， aiming at the problem of coupled load release and separation of internal and external flow in front of the inlet due to engineering constraints， the computational aerodynamic coupled six-degree-of-freedom model and dynamic nested grid technique are used to simulate the process of load release and separation， and the active flow control method is used to improve the flow field. The motion characteristics of load release separation of internal and external flow coupling with or without active flow control and its influence on the flow field of internal flow inlet are analyzed and evaluated. The results show that the distortion index DC（60） of the inlet can be reduced from 0.561 2 to 0.465 8 by active flow control， and the active flow control can improve the quality of inlet flow field.

Keywords： embedded load separation; inlet flow field; nested grid; aerodynamic interference; active flow control

當(dāng)飛行器受到工程約束，進(jìn)氣道不得不布置于武器彈艙后方時(shí)，就不可避免地發(fā)生載荷投放分離過程影響進(jìn)氣道流場(chǎng)的情況。針對(duì)這種問題，采用主動(dòng)流動(dòng)控制可以實(shí)現(xiàn)對(duì)流場(chǎng)的精準(zhǔn)調(diào)控，改善進(jìn)氣道流場(chǎng)，減少載荷干擾，提升整體分離性能[1-6]。

1" 數(shù)值計(jì)算方法

2" 模型與網(wǎng)格

針對(duì)某型飛行器開展內(nèi)外流耦合的載荷投放分離特性研究，該飛行器布局如圖1所示，內(nèi)埋載荷艙布置于進(jìn)氣道前方，載荷投放過程會(huì)影響進(jìn)氣道的正常工作，進(jìn)而影響發(fā)動(dòng)機(jī)乃至整個(gè)飛行器的飛行性能。所以本研究在進(jìn)氣道設(shè)置監(jiān)測(cè)面，在模擬載荷投放分離過程中監(jiān)測(cè)進(jìn)氣道流場(chǎng)品質(zhì)的變化情況，針對(duì)惡劣情況采取一些改進(jìn)措施。

采用嵌套網(wǎng)格計(jì)算時(shí)，將飛行器與投放載荷分別建模并生成網(wǎng)格（圖2），在進(jìn)氣道內(nèi)使用較密的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，確保內(nèi)流場(chǎng)的模擬精度；并在彈艙下方設(shè)置網(wǎng)格加密區(qū)，確保對(duì)載荷投放過程中流場(chǎng)的精確捕捉，從而提高內(nèi)外流耦合的CFD數(shù)值仿真的精確性。

3" 無主動(dòng)流動(dòng)控制的計(jì)算結(jié)果分析

基于上述介紹的模型與網(wǎng)格，使用計(jì)算空氣動(dòng)力學(xué)耦合六自由度方法及動(dòng)態(tài)嵌套網(wǎng)格技術(shù)，對(duì)內(nèi)外流耦合一體的載荷投放分離過程進(jìn)行數(shù)值模擬。圖3為投放分離過程一些時(shí)刻的載荷壓力系數(shù)分布圖。

由進(jìn)氣道監(jiān)測(cè)面觀察載荷投放分離過程中進(jìn)氣道流場(chǎng)品質(zhì)變化情況如圖4所示，在整個(gè)投放分離過程中，由于載荷塊下落對(duì)來流有著很大的遮擋，并且尾流對(duì)于后方進(jìn)氣道產(chǎn)生很大的影響，畸變指數(shù)DC（60）激增，總壓恢復(fù)系數(shù)σ陡降，直到0.4 s載荷逐漸遠(yuǎn)離飛行器，進(jìn)氣道參數(shù)才逐漸恢復(fù)到初始水平。在投放分離過程中，進(jìn)氣道畸變指數(shù)DC（60）最大達(dá)到了0.561 2，總壓恢復(fù)系數(shù)最小達(dá)到了0.887 2，在極值情況下對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)的正常工作有著不小的挑戰(zhàn)。

4" 加入主動(dòng)流動(dòng)控制的計(jì)算結(jié)果分析

4.1" 射流速度100 m/s下計(jì)算結(jié)果分析

在投放分離過程中進(jìn)氣道畸變指數(shù)DC（60）達(dá)到了高峰值0.561 2，這不僅會(huì)降低壓氣機(jī)效率，增加喘振風(fēng)險(xiǎn)，還可能影響整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。因此，迫切需要通過一些措施來解決這些問題，確保發(fā)動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)行和整個(gè)飛行任務(wù)的成功。

而主動(dòng)流動(dòng)控制由于其可做到對(duì)流場(chǎng)的精準(zhǔn)調(diào)控，并且被用于動(dòng)態(tài)調(diào)整載荷分離軌跡[10]，非常適合用來優(yōu)化載荷分離過程，改善進(jìn)氣道流場(chǎng)[11]，減少載荷干擾[12]，提升整體分離性能。本研究在載荷艙后方布置噴嘴，以一條氣簾的形式來實(shí)現(xiàn)對(duì)于載荷分離流場(chǎng)及后方進(jìn)氣道流場(chǎng)的主動(dòng)流動(dòng)控制，該裝置如圖5所示。在載荷艙后方加入射流控制，可以緩解載荷塊對(duì)來流遮擋的影響，改變了載荷后方渦流的結(jié)構(gòu)，減少其縱向尺寸，使得原本較大的低速區(qū)域得到了有效抑制。

如圖5所示，噴嘴與飛行器下表面90°垂直向下吹氣。當(dāng)設(shè)定合適的入口總壓、總溫與靜壓條件后，亞聲速氣流便進(jìn)入噴嘴，在收縮段速度增加，壓強(qiáng)減小，然后流經(jīng)等面積段，在這里氣流速度保持穩(wěn)定。最終，氣流從噴嘴出口流出，形成壓強(qiáng)與外部一致的高速射流。

設(shè)置噴嘴噴射氣流速度為100 m/s，進(jìn)行內(nèi)外流耦合一體的載荷投放分離數(shù)值模擬，計(jì)算結(jié)果中的進(jìn)氣道流場(chǎng)參數(shù)變化如圖6所示?？梢钥闯?，加入主動(dòng)流動(dòng)控制前后進(jìn)氣道流場(chǎng)的變化趨勢(shì)一致，而在該射流配置下總壓恢復(fù)系數(shù)谷值0.895 3相較于之前的0.887 2稍有提升，進(jìn)氣道畸變指數(shù)DC（60）峰值只有0.465 8，相較于之前的0.561 2有了相當(dāng)明顯的降低，說明了主動(dòng)流動(dòng)控制對(duì)改善進(jìn)氣道流場(chǎng)具有顯著效果。

4.2" 不同射流配置的計(jì)算結(jié)果分析

在加入100 m/s的射流后，分離過程中進(jìn)氣道監(jiān)測(cè)面的畸變指數(shù)DC（60）峰值有了明顯的降低。繼續(xù)改變射流配置，如圖7所示，將噴嘴方向改變?yōu)榕c水平線夾角為60°和15°，繼續(xù)對(duì)100、200、300 m/s 3個(gè)速度的載荷分離數(shù)值仿真計(jì)算。

不同射流配置的計(jì)算結(jié)果綜合對(duì)比如圖8所示。首先，關(guān)于總壓恢復(fù)系數(shù)的變化趨勢(shì)，大多數(shù)結(jié)果顯示出了相對(duì)一致的模式，但在15°射流角度且射流速度為100 m/s的配置中，總壓恢復(fù)系數(shù)σ在0.2 s到0.4 s的時(shí)間段內(nèi)經(jīng)歷了明顯的振蕩，并在0.31 s時(shí)達(dá)到了最小值。

從畸變指數(shù)DC（60）來看，15 °射流角度和100 m/s射流速度的配置在0.2到0.4 s間同樣顯示出了劇烈的振蕩，畸變指數(shù)DC（60）急劇上升，表示這一射流參數(shù)在此階段可能導(dǎo)致了顯著的進(jìn)氣道流場(chǎng)畸變。除此之外，其他配置在大約0.18 s時(shí)達(dá)到峰值，但所有的峰值均低于未加射流的情況。在這些結(jié)果中，射流角度為90°且射流速度為200 m/s的配置表現(xiàn)出了最低的畸變指數(shù)DC（60）峰值，達(dá)到了0.462，表明該角速組合在減少進(jìn)氣道流場(chǎng)畸變方面效果最為顯著。

綜合分析了不同射流配置對(duì)載荷分離過程的影響后，可以得出以下結(jié)論：射流配置的選擇應(yīng)當(dāng)根據(jù)特定的性能需求來確定。如果目標(biāo)是最小化畸變指數(shù)DC（60），那么90°射流角度200 m/s射流速度的配置可能更為合適，其DC（60）峰值最低為0.462，這種配置能夠在不引入過多流場(chǎng)擾動(dòng)的情況下，維持進(jìn)氣道內(nèi)的流場(chǎng)品質(zhì)；若追求顯著提高總壓恢復(fù)系數(shù)σ值，從而優(yōu)化整體流場(chǎng)質(zhì)量，那么60°射流角度300 m/s射流速度的配置將是首選，其σ最小值為0.906 3，證明該配置條件下流動(dòng)損失最小，這樣的配置有助于在增強(qiáng)流場(chǎng)穩(wěn)定性的同時(shí)，提高氣動(dòng)效率。

5" 結(jié)束語

本文針對(duì)由于工程約束載荷艙布置在進(jìn)氣道之前的內(nèi)外流耦合載荷投放分離問題，運(yùn)用計(jì)算流體力學(xué)耦合六自由度方法及動(dòng)態(tài)嵌套網(wǎng)格技術(shù)模擬投放過程，而后針對(duì)載荷投放對(duì)進(jìn)氣道流場(chǎng)影響較大的問題，采用主動(dòng)流動(dòng)控制方法加以改善，分析了不同射流配置對(duì)進(jìn)氣道流場(chǎng)的影響。

在綜合分析了不同射流配置對(duì)載荷分離過程的影響后，研究得出以下結(jié)論和建議：射流配置的選擇應(yīng)當(dāng)根據(jù)特定的性能需求來確定。如果目標(biāo)是最小化畸變指數(shù)DC（60），那么90°射流角度200 m/s射流速度的配置可能更為合適；若追求顯著提高總壓恢復(fù)系數(shù)σ值，從而優(yōu)化整體流場(chǎng)質(zhì)量，那么60°射流角度300 m/s射流速度的配置將是首選。

本文的計(jì)算分析為不同的射流配置策略提供了量化的參考和建議，希望為工程實(shí)際作出一些理論支持和方案參考。

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