出口截面流场参数可控的内转式进气道基本流场设计方法与流程

本发明涉及马赫数大于3的内转式进气道设计领域，尤其是一种出口截面流场参可控的内转式进气道基本流场设计方法。

背景技术：

近十几年来，内转式进气道在高马赫数(3<M<5)和高超声速(M>5)吸气式推进系统设计中的应用越来越广泛。在传统的内转式进气道基本流场中，反射激波由水平的基本流场下边界生成，这种情况下进气道对来流的压缩过程主要有入口激波、等熵压缩、反射激波和隔离段四个部分。由于设计原因，传统的内转式进气道基本流场上表面对反射激波并不能很好消波，这使得反射激波在隔离段内继续反射形成反射激波串，从而对进气道的气动性能带来较大影响。此外，由于进气道流场结构具有三维内收缩特征，附面层在等熵压缩段内迅速累积再与反射激波相互干扰产生很强的二次流，使气流的总压恢复系数在隔离段内迅速下降。

目前，南京航空航天大学张堃元老师团队在内转式进气道研究比较深入。该团队的研究结果表明，通过改变中心体半径削弱反射波可使进气道的气动性能得到大幅提升，然而，该团队目前只是采用CFD方法，根据给定的基本流场下边界形状来确定反射激波，对反射激波还没有更为准确的控制方法研究。

近年来，该团队还提出了根据给定进气道出口流场参数分布来设计进气道型面的方法，但也仅限于二元情况。此外，厦门大学韩伟强利用乔文友发展的逆特征线法开展了根据给定出口流场参数分布确定内转式进气道基本流场的研究。这些方法至少要同时给定两个独立参数，然后根据流量关系确定入射激波形状，再根据等熵关系确定所有出口流场参数，最后应用现有特征线方法确定整个流场参数分布及边界形状。初步来看，这些方法貌似可以直接设计内转式进气道的基本流场，但是存在两方面的问题影响其在内转式进气道设计中的应用：

首先，在流场的三维效应下，出口流场参数分布的存在性是一个亟待解决的问题。在基本流场中，气流经过轴对称的等熵压缩和激波压缩，使得出口参数分布存在较强的非线性。这时，如果给定的出口参数分布不合理，计算很容易发散。因此如何给定出口参数分布还需要做进一步研究。其次，在不考虑存在性的前提下，虽然根据出口参数完全确定基本流场的方法比较简便，但是该方法同时也限制了流场的压缩规律，这对进气道兼顾起动和抗反压能力带来一定困难。此外，流场的压缩规律对附面层的发展也存在较大的影响，因此采用这种方法很难控制进气道的粘性损失，进而很难控制反射激波与附面层的相互干扰。由此可知，如何根据出口参数分布来调节流场的压缩规律又是一个限制该方法应用的一大障碍。

基于以上两方面的原因，根据出口参数分布设计基本流场的方法目前还仅限于二元进气道上，在内转式计进气道设计中的应用还有待于进一步深入研究。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有根据出口流场参数分布设计进气道型面方法存在的不足，提供一种可以控制进气道基本流场出口截面流场参数分布的内转式进气道基本流场设计方法。

为实现上述发明目的，本发明技术方案如下：

1、一种出口截面流场参数可控的内转式进气道基本流场设计方法，根据出口截面的一种流场参数分布来设计基本流场下边界的形状，所述方法首先根据反射激波顶点处的波后流场参数来设计可生成反射激波的气动型面，然后根据出口截面的一种流场参数分布来设计可将反射激波的波后依赖域出口下游流场参数调整至与出口截面流场参数分布一致的气动型面，这里反射激波顶点为反射激波与基本流场出口截面的交点，即基本流场出口截面的上边界。

2、作为优选方式，所述根据反射激波顶点处的波后流场参数来设计可生成反射激波的气动型面的设计方法为调节可生成反射激波的气动型面以控制反射激波的形状，使反射激波顶点处的波后流场参数与出口截面上边界的流场参数一致，具体包括如下步骤：

①采用三次曲线描述生成反射激波的气动型面，该曲线由反射激波起始点和人为给定控制点的位置和气流方向角控制，其方程为y＝a₁·x³+b₁·x²+c₁·x+d₁，式中的系数可由这两点的参数表达，c₁＝tan(θ_s)、d₁＝R_c，其中L、θ_s、θ_e、R_c和R_d分别为起始点与曲线控制点处的距离、起始点处的倾角、控制点处的倾角、起始点处的半径、控制点处的半径；

②给定L、θ_s、R_c和R_d，调节θ_e，或者给定θ_s、θ_e、R_c和R_d，调节L来修正曲线形状，然后在基本流场等熵压缩段产生的来流条件下，应用特征线法确定该曲线生成的反射激波形状及波后依赖域的流场参数分布；

③应用割线法，对比②生成的反射激波顶点处的波后流场参数与出口截面上边界处的目标参数，并针对二者的差值调节θ_e或调节L，然后返回②重新计算，直到反射激波顶点处的波后流场参数与出口截面上边界的流场参数一致时为止。

3、作为优选方式，所述根据反射激波顶点处的波后流场参数来设计可生成反射激波的气动型面的设计方法为：在基本流场上边界产生的流场中，直接给定反射激波的形状，同时确保激波顶点处的波后流场参数与出口截面上边界的流场参数一致，然后应用给定激波反求型面的逆特征线法确定可生成该激波的物面，包括如下步骤：

①在基本流场上边界上，将距离反射激波起始点轴向距离为l的点作为反射激波顶点，并将该点处的流场参数作为波前流场参数，根据出口截面流场参数分布确定该点的波后流场参数，再应用激波关系式计算出该点处应具有的反射激波角度；

②以反射激波起点和预估的反射激波顶点位置和激波角度为控制参数，并采用三次曲线构造反射激波的形状，曲线方程为y＝a₂·x³+b₂·x²+c₂·x+d₂，式中c₂＝tan(β_s)、

d₂＝R_c，其中l为反射激波起始点至顶点的轴向距离，β_s、β_e、R_c和y_d分别为反射激波起始点处的激波角度、顶点处的激波角度、反射激波起始点处的半径、顶点处的半径，然后通过插值在等熵压缩段流场上确定反射激波的波前流场参数，再应用激波关系式计算出反射激波的波后流场参数；

③应用逆特征线法求解可生成反射激波的气动型面和波后依赖域流场，若该气动型面存在，便终止计算，否则调节l修正反射激波顶点位置，并返回②重新计算；

4、根据出口截面的一种流场参数分布来设计可将反射激波的波后依赖域出口下游流场参数调整至与出口截面流场参数分布一致的气动型面的方法包括如下步骤：

①自反射激波顶点A₁开始，以反射激波的波后依赖域出口边界A₁A₂…A_n为初始边界，并在该边界上选定下游初始点A₁和上游初始点A₂，点A₂发出的流线与出口截面相交于待求解点B₁处，接着由点B₁逆向发出右行特征线与A₁A₂相交于点B₁’，联立流线A₂B₁和特征线B₁’B₁上的相容方程以及出口截面上的流场参数分布规律确定点B₁的所有流场参数；

②以出口截面上的点B₁和反射激波的波后依赖域出口边界A₃…A_n-1A_n为初始边界，应用逆特征线法求解出可得到点B₁的气动边界形状A_nB_n-1；

③以B₁B₂…B_n-1为初始边界，继续迭代步骤①和②得到可使反射激波的波后依赖域出口下游流场在出口截面处流场参数分布与给定条件一致的气动型面。

5、作为优选方式，所述的流场参数指压力、马赫数、密度、温度、速度大小或方向。

本发明的有益效果为：本发明只需对出口截面处的一个参数进行约束，与上游来流的流场参数不会出现过约束情况，也不会约束基本流场的压缩规律，使进气道设计方法的灵活进一步提升；对出口截面处流场参数分布的约束较少，扩大了给定流场参数的给定范围。控制反射激波顶点处流场参数时便可有效控制反射激波在进气道隔离段内的反射，同时也有利于削弱反射激波与附面层相互干扰的强度，从而有利于提升进气道的气动性能。

附图说明

图1为基本流场结构及进气道构型。

图2为通过调节气动型面确定反射激波形状的求解原理图。

图3为通过给定反射激波形状求解气动型面的求解原理图。

图4为出口截面上待求解点的特征线法求解原理。

图5为根据出口截面流场参数分布确定边界的特征线推进原理。

图6为进气道基本流场结构。

图7为进气道迎风面唇口型线。

图8为经粘性修正后的进气道型面和近壁流线分布。

其中1表示可生成入射激波的边界、2为基本流场等熵压缩段上边界、3为反射激波的波后依赖域的出口边界、4为基本流场的反射激波、5为反射激波的顶点、6为基本流场的出口截面、7为基本流场等熵压缩下边界、8为可生成反射激波的边界、9为入射激波的波后依赖域的出口边界、10为基本流场的入射激波、11代表应用该基本流场生成的进气道无粘型面、12为人为给定的控制点、13中心体、14为轴线、15为使点B1流场参数满足要求的流线、16为基本流场进口、17为进气道迎风面唇口型线、18为吻切面位置。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

如图1，出口截面部分流场参数可控的内转式进气道基本流场设计方法，是一种可以兼顾基本流场中沿可生成入射激波的边界1、基本流场等熵压缩段上边界2上的压缩规律(压力或马赫数分布规律)和基本流场的出口截面6的流场参数分布的内转式进气道基本流场设计方法，即在基本流场中沿可生成入射激波的边界1和基本流场等熵压缩段上边界2上的压缩规律产生的流场分布下，只需给定基本流场的出口截面6的一种流场参数分布(所述的流场参数指压力、马赫数、密度、温度、速度大小或方向)便可确定内转式进气道基本流场的气动型面下边界，包括可生成反射激波的边界8和基本流场等熵压缩下边界7。

因此，本发明实施的前提是在给定沿可生成入射激波的边界1和基本流场等熵压缩段上边界2的压缩规律的条件下，确定基本流场的反射激波4的波前流场参数分布，具体方法为：根据给定的沿程压缩规律，用特征线法确定基本流场的入射激波10的形状、可生成入射激波10的边界1和入射激波10的波后依赖域流场(可生成入射激波的边界1、入射激波的波后依赖域的出口边界9和基本流场的入射激波10围成的区域)，然后继续应用特征线法根据给定的沿程压缩规律确定基本流场等熵压缩段上边界2和等熵压缩段流场(入射激波的波后依赖域的出口边界9、基本流场等熵压缩段上边界2和基本流场的反射激波4围城的区域)，该区域即为确定基本流场的反射激波4的波前流场。

下面给定基本流场中沿可生成入射激波的边界1和基本流场等熵压缩段上边界2上的压缩规律以及基本流场的出口截面6的流场参数分布，确定基本流场可生成反射激波的边界8和基本流场等熵压缩下边界7的气动型面，具体实施步骤如下。

实施例1

1、如图2，所述根据反射激波的顶点5处波后流场参数来设计可生成反射激波4的边界8的设计方法为调节可生成基本流场的反射激波4的边界8以控制基本流场的反射激波4的形状，使反射激波的顶点5处的波后流场参数与基本流场的出口截面6上边界的流场参数一致，具体包括如下步骤：

①如图2，采用三次曲线描述生成反射激波的边界8，该曲线由基本流场的反射激波4的起始点和人为给定的控制点12的位置和气流方向角控制，曲线控制方程为y＝a₁·x³+b₁·x²+c₁·x+d₁，式中的系数可由这两点的参数表达，c₁＝tan(θ_s)、d₁＝R_c，其中L、θ_s、θ_e、R_c和R_d分别为起始点与曲线控制点处的距离、起始点处的倾角、人为给定控制点12处的倾角、起始点处的半径、人为给定控制点12处的半径；

②给定L、θ_s、R_c和R_d，调节θ_e，或者给定θ_s、θ_e、R_c和R_d，调节L来修正可生成反射激波的边界8形状，然后在基本流场等熵压缩段上边界2产生的来流条件下，应用可生成反射激波的边界8生成基本流场的反射激波4；

③应用割线法，对比②生成的反射激波顶点5处波后流场参数与基本流场的出口截面6上边界目标参数，并针对二者差值来调节θ_e或调节L，然后返回②重新计算，直到反射激波的顶点5处的波后流场参数与基本流场的出口截面6上边界的流场参数一致时为止。

2、根据基本流场的出口截面6的一种流场参数分布设计可将反射激波的波后依赖域出口3下游流场参数调整至与基本流场的出口截面6流场参数分布一致的气动型面，具体步骤如下：

①如图4，自反射激波顶点A₁开始，出口截面附近待求解点的特征线法推进以反射激波的波后依赖域出口边界3为初始边界，并在该边界上选定下游初始点A₁和上游初始点A₂，点A₂发出的使点B1流场参数满足要求的流线15与基本流场的出口截面6相交于待求解点B₁处，接着由点B₁逆向发出右行特征线与A₁A₂相交于点B₁’，联立流线A₁B₁和特征线B₁’B₁上的相容方程以及基本流场的出口截面6上的流场参数分布规律确定点B₁的所有流场参数；

②如图5，以出口截面上的点B₁和反射激波的波后依赖域出口边界A₃…A_n-1A_n为初始边界，应用逆特征线法求解出可得到点B₁的气动边界形状A_nB_n-1；

③重复步骤①和②得使反射激波的波后依赖域出口边界3下游流场在基本流场的出口截面6处流场参数分布与给定条件一致的气动型面。

所述的流场参数指压力、马赫数、密度、温度、速度大小或方向中的一种参数。

3、将各区域流场参数拼接起来得到如图6所示的基本流场结构，然后给定如图6所示的进气道迎风面唇口型线17，通过流线追踪得到应用基本流场生成的进气道无粘气动型面11，经粘性修正之后再采用数值模拟得到进气道的三维流线和壁面附近流线分布如图8所示。

在工作马赫6的条件下，给定基本流场中心体12半径与基本流场进口16半径之比0.2，进气道沿程压缩规律(样条分布)，起始压缩角度4°，经入射激波和等熵压缩后来流马赫数降至4.25，出口参数给定速度方向角度(0°)，可生成反射激波的型面采用三次多项式控制，调节该型面使反射激波顶点处的速度方向角也为0°。应用本发明提出的根据基本流场的出口截面6的流场参数(在此为速度方向角度)确定可生成反射激波的边界8和基本流场等熵压缩下边界7。应用流线追踪方法得到进气道的无粘型面，经粘性修正后的进气道总收缩比6.47，内收缩比为2.18。经数值模拟得到的结果见图8，由进气道近壁流线的分布可知，虽然反射激波依旧与前方低能流相互干扰产生二次流，但流线并没有出现较大程度的汇聚而导致分离。计算得到的进气道喉道马赫数3.22，压比21.7，总压恢复系数0.77；出口马赫数3.01，压比24.0，总压恢复系数0.660。

实施例2

1、如图3，所述根据反射激波的顶点5处波后流场参数来设计可生成反射激波的边界8的设计方法为在基本流场等熵压缩段上边界2产生的流场中，直接给定基本流场的反射激波4的形状，同时确保反射激波的顶点5处的波后流场参数与基本流场的出口截面6上边界的流场参数一致，然后应用给定激波反求型面的逆特征线法确定可生成该激波的物面，包括如下步骤：

①在基本流场上边界，将距离反射激波起始点横向距离为l的点作为反射激波的顶点5，并将该点处的流场参数为波前流场参数，根据出口截面流场参数分布给定该点的波后流场参数，再应用激波关系式计算出该点处应具有的反射激波角度；

②如图3，以反射激波起点和预估的反射激波顶点位置和激波角度为控制参数，并采用三次曲线构造反射激波的形状，y＝a₂·x³+b₂·x²+c₂·x+d₂，式中c₂＝tan(β_s)、d₂＝R_c，其中l为反射激波起始点至反射激波的顶点5的轴向距离，β_s、β_e、R_c和y_d分别为反射激波起始点处的激波角度、顶点处的激波角度、反射激波起始点处的半径、顶点处的半径，然后通过插值在等熵压缩段流场上确定反射激波的波前流场参数，再应用激波关系式计算出反射激波的波后流场参数；

③应用逆特征线法求解可生成反射激波的边界8和波后依赖域(反射激波的波后依赖域出口边界3、基本流场的反射激波4和可生成反射激波的边界8所围成的区域)流场，若该气动型面存在，便终止计算，否则调节l修正反射激波的顶点5的位置，并返回②重新计算；

2、根据基本流场的出口截面6的一种流场参数分布设计可将反射激波的波后依赖域出口边界3下游流场参数调整至与基本流场的出口截面6流场参数分布一致的气动型面，具体步骤如下：

①如图4，自反射激波顶点A₁开始，出口截面附近待求解点的特征线法推进以反射激波的波后依赖域出口边界3为初始边界，并在该边界上选定下游初始点A₁和上游初始点A₂，点A₂发出的使点B1流场参数满足要求的流线15与基本流场的出口截面6相交于待求解点B₁处，接着由点B₁逆向发出右行特征线与A₁A₂相交于点B₁’，联立流线A₁B₁和特征线B₁’B₁上的相容方程以及基本流场的出口截面6上的流场参数分布规律确定点B₁的所有流场参数；

②如图5，以出口截面上的点B₁和反射激波的波后依赖域出口边界A₃…A_n-1A_n为初始边界，应用逆特征线法求解出可得到点B₁的气动边界形状A_nB_n-1；

③以B₁B₂…B_n-1为初始边界，重复步骤①和②得到可使反射激波的波后依赖域出口3下游流场在基本流场的出口截面6处流场参数分布与给定条件一致的气动型面。

所述的流场参数指压力、马赫数、密度、温度、速度大小或方向中的一种参数。

3、将各区域流场参数拼接起来得到如图6所示的基本流场结构，然后给定如图7所示的进气道迎风面唇口型线17，通过流线追踪得到进气道的气动型面，经粘性修正后的进气道型面和近壁流线分布如图8所示。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。