埋入式进气道内通道的设计方法与流程

本发明涉及发动机进气道技术领域，尤其涉及一种埋入式进气道内通道的设计方法。

背景技术：

随着航空技术的迅猛发展，具有低成本、高隐身性能、高机动性的高亚声速飞行器/无人机受到越来越多国家的重视。而作为飞行器/无人机推进系统的重要组成部分的进气道，其性能的优劣则直接影响飞行器的作战性能。因此对进气道的研究至关重要。

由于其出色的隐身性能，埋入式进气道在高亚声速飞行器/无人机上正得到越来越广泛的应用。埋入式进气道是一种将进口埋入机身或机翼之中，不呈现任何突起部分的特殊进气道。这样的设计能够有效地减小飞行器的雷达散射截面积，从而具有较好的隐身性能，同时由于其迎风面积减小，因此可显著降低机身的迎风阻力。除了上述优点外，由于埋入式进气道可以与机身融于一体，可使飞行器周向尺寸相对减小，因此有利于飞行器的安放、携带和箱式发射。以上诸多的优势使得埋入式进气道愈来愈受到国内外研究者的关注。

但是，正是由于埋入式进气道的进口完全置于机身表面的边界层中，无法像传统进气道那样充分利用来流冲压进气，仅能依赖前唇口垂直于来流方向的压强梯度和侧棱产生的旋涡进气。这就使得埋入式进气道进口处吸入了大量的机身边界层低能流，内通道中的总压损失和气流掺混损失较大，因而总压恢复系数较低，出口流场畸变较大。同时，由于埋入式进气道在设计过程中需要兼顾机身的气动构型，设计约束多、曲面过渡梯度大。此外，由于高亚声速飞行器进气道要求长度短，偏距大，为了减小进气道入口气流与发动机中心线不同轴造成的纵向压力梯度的影响，减小出口流场的旋流强度需要在设计过程中合理设置参数。以上因素都加大了埋入式进气道的设计难度。

参考图1，国内郭荣伟首次在埋入式进气道设计的过程中引入了气动 S弯管的概念，气动S弯管2的进口完全置于机身1表面的边界层中，可以提高进气道的冲压效率，使进气道的总压恢复提高，畸变减小。但在实践中，其所设计的气动S弯管的截面仅限于田径跑道形和变短轴椭圆形。此外，从公开发表的文献中，还没有进气道内通道完整的设计方法，尤其是无法查到截面上特征参数沿程变化规律，因此无法完成进气道的设计过程。

技术实现要素：

在下文中给出关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。

为解决上述问题，本发明提出一种埋入式进气道内通道的设计方法，提高了此类进气道内通道设计的方便性和灵活性。

一种埋入式进气道内通道的设计方法，所述进气道内通道包括依次连接的第一等直段、转弯段以及第二等直段，所述第一等直段的入口截面形状为半圆形和圆角矩形组合，所述第二等直段的截面形状为圆形；

所述设计方法包括：

根据进气道内通道内的各段的中心点位置参数，采用样条函数获得中心线沿程分布规律；

根据预设工作参数计算第一等直段入口的截面面积，并获取转弯段入口预设截面面积、转弯段喉道预设截面面积、转弯段出口预设截面面积以及第二等直段出口预设截面面积，采用样条函数构建所述进气道内通道的入口到出口的面积沿程变化规律；

计算第一等直段入口处、转弯段入口处、转弯段喉道处、转弯段出口处截面的半圆形占整个截面的面积百分比，以及圆角矩形的圆角部分面积占整个圆角矩形截面的面积百分比，采用样条函数获得进气道内通道入口到出口的特征变量沿程变化规律；

根据所述面积沿程变化规律、中心线沿程分布规律以及特征变量沿程变化规律计算进气道内通道入口到出口的半圆半径变化规律、圆角矩形的 圆角部分半径变化规律、圆角矩形的矩形高度变化规律、矩形宽度的变化规律，扫掠获得进气道内通道型面。

本发明提供的埋入式进气道内通道的设计方法，充分考虑到截面形状从非圆向圆形的逐步过渡、截面面积的逐步变化，有效提高了此类进气道内通道设计的方便性和灵活性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为埋入式进气道与机身的结构关系图。

图2为本发明提供的埋入式进气道内通道的一种实施例的结构示意图。

图3为本发明提供的埋入式进气道内通道第一等直段入口一种实施例的截面示意图。

图4为本发明提供的埋入式进气道内通道第二等直段出口一种实施例的截面示意图。

图5为本发明提供的埋入式进气道内通道的设计方法一种实施例的步骤图。

图6为本发明提供的埋入式进气道内通道的设计方法一种实施例的流程图。

图7为本发明提供的埋入式进气道内通道中心线一种实施例的示意图。

图8为本发明提供的埋入式进气道内通道中心线沿程变化规律示意图。

图9为本发明提供的埋入式进气道内通道各横截面积示意图。

图10为本发明提供的埋入式进气道内通道面积沿程变化规律示意 图。

图11为本发明提供的埋入式进气道内通道的截面中半圆形面积的示意图。

图12为本发明提供的埋入式进气道内通道的截面中圆角部分面积的示意图。

图13为本发明提供的埋入式进气道内通道的截面中圆角矩形面积的示意图。

图14为本发明提供的埋入式进气道内通道的半圆形面积占整个截面面积百分比的沿程变化规律示意图。

图15为本发明提供的埋入式进气道内通道的圆角部分面积占圆角矩形面积百分比的沿程变化规律示意图。

具体实施方式

下面参照附图来说明本发明的实施例。在本发明的一个附图或一种实施方式中描述的元素和特征可以与一个或者更多个其他附图或实施方式中示出的元素和特征相结合。应当注意，为了清楚目的，附图和说明中省略了与本发明无关的、本领域普通技术人员已知的部件和处理的表示和描述。

本实施例提供一种埋入式进气道内通道的设计方法，如图2所示，进气道内通道包括依次连接的第一等直段AB、转弯段BC以及第二等直段CD，如图3所示，第一等直段AB入口的截面形状为半圆形和圆角矩形组合，如图4所示，第二等直段CD的截面形状为圆形；

参考图5和图6，设计方法包括：

步骤S101，根据进气道内通道内的各段的中心点位置参数，采用样条函数获得中心线沿程分布规律；

步骤S102，根据预设工作参数计算第一等直段入口的截面面积，并获取转弯段入口预设截面面积、转弯段喉道预设截面面积、转弯段出口预设截面面积以及第二等直段出口预设截面面积，采用样条函数构建所述进气道内通道的入口到出口的面积沿程变化规律；

步骤S103，计算第一等直段入口处、转弯段入口处、转弯段喉道处、 转弯段出口处截面的半圆形占整个截面的面积百分比，以及圆角矩形的圆角部分面积占整个圆角矩形截面的面积百分比，采用样条函数获得进气道内通道入口到出口的特征变量沿程变化规律；

步骤S104，根据所述面积沿程变化规律、中心线沿程分布规律以及特征变量沿程变化规律计算进气道内通道入口到出口的半圆半径变化规律、圆角矩形的圆角部分半径变化规律、圆角矩形的矩形高度变化规律、矩形宽度的变化规律，扫掠获得进气道内通道型面。

埋入式进气道在设计时根据飞行器的飞行轨迹以及典型巡航状态要求，选定典型设计点，同时考虑结构尺寸方面的约束，由此确定进气道的主要相关设计参数。在本实施例中，进气道设计点为：飞行高度0km，来流马赫数0.7，攻角为0°。

埋入式进气道的入口，即第一等直段AB入口，截面形状为半圆形和圆角矩形组合，逐步过渡至圆形，第二等直段CD的截面形状为圆形，实现与发动机的无缝对接。

进一步地，根据进气道内通道内的各段的中心点位置参数，采用样条函数获得中心线沿程分布规律。

中心线形状的设计直接影响到进气道的气动性能。因为中心线的形状决定了气流在进气道的偏转情况，在弯曲通道内，气流由于受惯性力的作用，流场分布不均匀，畸变较大。只有合理设计中心线形状，保证进气道内通道入口到出口各个截面中心的光滑过渡，才可以尽可能降低气流畸变度。

在数值分析中，样条是一种特殊的函数，有多项式分段定义，是一类光滑、且在各段交接处也有一定光滑性的函数，考虑到样条函数在构建几何型线方面的突出能力，以及在飞行器外形设计方面的成功应用，在本发明中，首次把计算机辅助几何设计中广泛应用的样条方法引入到内通道

参考图7，分别获取第一等直段入口截面中心点A坐标信息，第一等直段中心线与X轴夹角α、转弯段入口截面中心点B坐标信息、第一等直段中心线在转弯段入口截面中心点B的切线与X轴夹角β、转弯段出口截面的中心点C坐标信息、转弯段中心线在转弯段出口截面中心点C的切线与X轴夹角γ、第二等直段出口截面中心点D坐标信息、第二等直段中心线在第二等直段出口截面中心点D的切线与X轴夹角ψ，在此限定条件下，保证B点和C点连续，保证采用样条函数获得中心线沿程 分布规律。

作为一种实施方式，设置第一等直段入口截面中心点A坐标为(4.7172，-0.46446，0)，转弯段入口截面中心点B坐标为(5.5774，-0.0993，0)、第一等直段中心线在转弯段入口截面中心点B的切线与X轴夹角α为23°、转弯段出口截面的中心点C坐标为(5.88，-0.042617，0)、转弯段中心线在转弯段出口截面中心点C的切线与X轴夹角β为3°、第二等直段出口截面中心点D坐标为(5.93，-0.04，0)、第二等直段中心线在第二等直段出口截面中心点D的切线与X轴夹角ψ为3°，得到的中心线沿程分布规律如图8所示。

进一步地，根据预设工作参数计算第一等直段入口面积，并获取转弯段入口预设截面面积、转弯段喉道预设截面面积、转弯段出口预设截面面积以及第二等直段出口预设截面面积，采用样条函数构建所述进气道内通道的入口到出口的面积沿程变化规律。

进气道的面积分布规律决定了管内流向扩压比的变化，不合适的面积分布加上弯曲通道内气流受惯性力的作用，进气道内的流动很容易出现分离。

预设工作参数包括进气道的捕获流量、流量系数、来流总压、来流总温，根据与进气道相匹配的发动机工作状态，得到进气道捕获流量，根据进气道自身特点，确定其工作时的流量系数，由此计算第一等直段入口面积。

第一等直段入口的截面面积通过以下公式进行计算：

其中，为进气道捕获流量，P^*为来流总压，T^*为来流总温，A为第一等直段入口的截面面积，q为预设流量系数，K为常数，K＝0.0404。

获取第一等直段入口面积、转弯段入口预设截面面积、转弯段喉道预设截面面积、转弯段出口预设截面面积以及第二等直段出口预设截面面积；

根据所述第一等直段入口截面积、转弯段入口截面积、转弯段喉道截面面积、转弯段出口截面积以及第二等直段出口截面积获得进气道内通道的入口到出口的面积沿程变化规律。

参考图9，设定进气道第一等直段入口3的截面面积为CA₃、转弯段入口4的预设截面面积为CA₄、转弯段喉道5的预设截面面积CA₅，转弯段出口6的预设截面面积为CA₆、第二等直段出口7的预设截面面积为CA₇，获取相应截面的中心点坐标X，构成横截面积函数CA＝f(X)，本实施例中，该函数满足以下条件：

CA₃＝f(X₃)＝0.10936m²；

CA₄＝f(X₄)＝0.10936m²；

CA₅＝f(X₅)＝0.10532m²；

CA₆＝f(X₆)＝0.117m²；

CA₇＝f(X₇)＝0.117m²；

其中，X₃为第一等直段入口的截面中心点坐标，X₄为转弯段入口的截面中心点坐标，X₅为转弯段喉道的截面中心点坐标，X₆转弯段出口的截面中心点坐标，X₇为第二等直段出口的截面中心点坐标，图10示出了满足上述条件、由样条函数构建的中间各横截面面积分布规律。

进一步地，计算第一等直段入口处、转弯段入口处、转弯段出口处截面的半圆形占整个截面的面积百分比，以及圆角矩形的圆角部分面积占整个圆角矩形截面的面积百分比，采用样条函数获得进气道内通道入口到出口的特征变量沿程变化规律。

第一等直段入口的截面形状为半圆形和圆角矩形组合，选定半圆形占整个截面的面积百分比，以及圆角矩形的圆角部分面积占圆角矩形截面的面积百分比作为特征变量，参考图11，截面上的半圆形面积为阴影部分，半圆形占整个截面的面积百分比采用HCAP表示，其数值等于半圆形ABC的面积与整个入口截面面积的比值，圆角矩形的圆角部分面积定义参考图12，圆角矩形的矩形面积定义参考图13，圆角部分面积占圆角矩形面积的百分比采用APP来表示，其数值等于1/4圆GOP和1/4圆EPD的面积之和与圆角矩形ACDEFG的面积之比。

分别构建半圆形占整个截面的面积百分比沿程变化规律的样条函数HCAP＝f(X)以及圆角矩形的圆角部分面积占圆角矩形截面的面积百分比沿程变化规律的样条函数AAP＝g(X)，X为进气道内通道中心线上相应点的坐标。

在本实施例中，上述函数满足以下条件：

HCAP₃＝f(X₃)＝0.4417；

HCAP₄＝f(X₄)＝0.5；

HCAP₆＝f(X₆)＝0.5；

HCAP₇＝f(X₇)＝0.5；

AAP₃＝g(X₃)＝0.06636；

AAP₆＝g(X₆)＝1.0；

AAP₇＝g(X₇)＝1.0；

其中，X₃为第一等直段入口的截面中心点X向坐标，X₄为转弯段入口的截面中心点X向坐标，X₆为转弯段出口的截面中心点X向坐标，X₇为第二等直段出口的截面中心点X向坐标，满足上述条件的特征变量沿程变化规律如图14和图15所示。

进一步地，求解进气道内通道入口到出口的半圆半径、圆角矩形的圆角部分半径、圆角矩形的矩形高度、矩形宽度，获得其变化规律。

圆角矩形的圆角部分半径通过以下公式进行计算：

其中，r为圆角矩形的圆角部分半径，CA为相应截面的面积，HCAP为相应截面的半圆形占整个截面的面积百分比，APP为相应截面的圆角部分面积占整个圆角矩形截面的面积百分比。

半圆半径通过以下公式进行计算：

其中，R为半圆半径，CA为相应截面的面积，HCAP为相应截面的半圆形占整个截面的面积百分比。

圆角矩形的矩形宽度通过以下公式进行计算：

w＝2·R；

其中，R为半圆半径，w为圆角矩形的矩形宽度。

圆角矩形的矩形高度根据以下公式进行计算：

其中，h为圆角矩形的矩形高度，r为圆角矩形的圆角部分半径，CA为相应截面的面积，HCAP为相应截面的半圆形占整个截面的面积百分比，w为圆角矩形的矩形宽度。

本发明提供的埋入式进气道内通道的设计方法，完成了复杂截面的光滑过渡，保证了进气道型面的光滑性，设计得到的进气道内通道具有较高的总压恢复系数和较低的畸变指数。

虽然已经详细说明了本发明及其优点，但是应当理解在不超出由所附的权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下可以进行各种改变、替代和变换。而且，本申请的范围不仅限于说明书所描述的过程、设备、手段、方法和步骤的具体实施例。本领域内的普通技术人员从本发明的公开内容将容易理解，根据本发明可以使用执行与在此所述的相应实施例基本相同的功能或者获得与其基本相同的结果的、现有和将来要被开发的过程、设备、手段、方法或者步骤。因此，所附的权利要求旨在它们的范围 内包括这样的过程、设备、手段、方法或者步骤。