一种高超声速进气道与隔离段一体化设计方法与流程

本发明属于高超声速推进技术领域，涉及超燃冲压发动机进气道与隔离段的设计方法，特指一种高超声速内转向进气道与隔离段一体化设计方法。

背景技术：

超燃冲压发动机主要由进气道、隔离段、燃烧室和尾喷管四部分组成。高超声速进气道是超燃冲压发动机的供气部件，为发动机燃烧室提供足量且较高品质来流，保证发动机正常高效工作，其性能直接影响发动机推力甚至整个飞行器有效工作。内转向进气道是采用三维压缩型面的一种新型进气道，目前以超燃冲压发动机为主要动力的飞行器上主要采用这种类型进气道。隔离段是指始于进气道出口，终于燃烧室入口这一段区域，是连接高超声速进气道和燃烧室的部件，其需抵抗燃烧室产生的较高反压并提供高品质的气流。

从几何结构方面看，内转向进气道与隔离段是相衔接的，内转向进气道出口形状与隔离段入口完全相同，在衔接处二者型面过渡越顺畅对流动越有利。从流动总压损失方面看，内转向进气道与隔离段共同的评价标准之一就是总压恢复系数。高总压恢复系数意味着来流做功能力更强，对发动机比冲提高更有利。因此内转向进气道与隔离段的设计一方面是要讲求几何上的顺畅过渡，另一方面就是要讲求流动的总压损失尽可能小。

目前内转向进气道的设计方法基本上均采用“设计基准流场+流线追踪成型”的方法设计，这种方法首次于1999年由m.k.smart提出，结果发表在《journalofpropulsionandpower》期刊的vol.15,no.3上，文章名《designofthree-dimensionalhypersonicinletswithrectangular-to-ellipticalshapetransition》。这种设计方法基本实现了上述两方面要求，即能保证几何上十分光顺，又能获得较小的总压损失。其原因在于，采用“设计基准流场+流线追踪成型”的方法，使得最终内转向进气道型面实质上是由无数条真实流线组合而成的，所以稍加调整或者优化即可获得几何过渡顺畅且总压损失较小的内转向进气道型面。但对于隔离段设计而言，目前还未见一种成体系套路的设计方法。当前在科学研究和工程项目上使用的隔离段基本都是仅仅从几何角度出发，将满足几何约束(入口与进气道出口对接，出口与燃烧室入口对接)的隔离段直接与进气道对接，而未考虑隔离段型面是否是由流线组成。比如2016年发表于《推进技术》37(5)的文献《中心线偏置隔离段内激波串迟滞特性研究》中研究的隔离段，仅仅就是单纯为满足“偏置”这一几何约束而设计的；工程实际中使用的隔离段是既需要几何上的“偏置”，又需要总压恢复较高。再比如2015年发表于《物理学报》64(19)的文献《隔离段激波串流场特征的试验研究进展》中记载的诸多隔离段都是从几何角度出发，或者仅仅用一等直管道与进气道拼接起来而成的。并没有从流动层面出发，用与内转向进气道设计方法相似的方法使构成隔离段型面的为一系列流线。

现有设计既没有从流动和几何约束双重角度考虑隔离段的设计方法，也没有考虑内转向进气道与隔离段的一体化设计方法。因此，现有技术带有较强的经验性和主观随意性，不利于成体系设计方法的形成以及进一步发展。

技术实现要素：

针对传统隔离段设计主要从满足几何约束出发而没能从流动和几何约束双重角度出发，并且没有进行进气道与隔离段一体化设计的问题，本发明提出了一种高超声速进气道与隔离段一体化设计方法。

具体地，本发明是一种高超声速进气道与隔离段一体化设计方法，包括以下步骤：

s1，确定隔离段基准流场型面；

进一步的，确定隔离段基准流场型面的具体方法为：

s101，根据进气道基准流场出口及隔离段设计几何约束确定隔离段基准流场型面的顶点；隔离段设计几何约束是指总长度、入口方向偏转角、出入口偏心距、出入口面积比、中心体高度等，隔离段基准流场型面的顶点包括入口上下顶点、出口上下顶点、出入口中心等；

s102，生成隔离段基准流场中心线oioo；

通过添加自由控制点的方法，利用函数关系生成隔离段中心线；这里自由控制点的添加方式和个数不做限制，比如是出入口中心x方向的n等分点，或者出入口中心y方向的n等分点，或者其他满足要求的生成方式；生成隔离段中心线函数关系曲线的方式也是任意的，只需要满足隔离段中心线连续即可，诸如直线连接、抛物线连接、高次曲线连接均可；

s103，确定隔离段基准流场上壁面和下壁面；

根据结构设计的隔离段基准流场面积变化律(横截面积沿程变化函数s＝f(x))约束，确定任意x截面处上、下壁面点距离中心线的距离，进而确定隔离段基准流场上、下壁面在x截面处的位置，进而完全确定隔离段基准流场上壁面和下壁面；

其中面积变化律s＝f(x)是根据设计要求预先设定的，可以是任意函数形式；

需要指出的是，步骤s1中提到的设计要求或结构几何约束，只是一种提法，在不同的设计任务中可以提出不同的设计要求或结构几何约束；比如不把出入口面积比作为约束，而将出口面积直接作为约束；取消对隔离段基准流场面积变化律的约束，将隔离段基准流场中心线形状作为约束等；

s2，拼接进气道流场与隔离段流场；

进一步的，拼接进气道流场与隔离段流场具体方法为：

将已有的进气道基准流场与上述设计得到的隔离段基准流场拼接起来，关键在于将进气道基准流场出口流动参数赋予隔离段基准流场，作为隔离段基准流场入口流动参数，进而进行隔离段基准流场的计算；

具体的，将已有进气道基准流场出口流动参数(如：静压、总压、总温、马赫数等)提取出来，赋予s1步中s103得到的隔离段基准流场入口，作为入口边界条件；而后对隔离段基准流场型面进行cfd(计算流体力学)计算，得到隔离段基准流场流动参数；

本发明通过将进气道基准流场出口作为隔离段基准流场入口使进气道基准流场与隔离段基准流场拼接起来，实现了在满足几何约束条件下，考虑隔离段流动约束的目的，进而起到使隔离段内流动更加顺畅，总压损失更小的技术效果；

s3，获得进气道与隔离段的三维型面；

其中，获得进气道与隔离段的三维型面的具体方法为：

s301，根据设计要求，指定入口捕获型线，在进气道基准流场中，利用流线追踪法得到进气道三维型面；

s302，将s301步骤中得到的进气道出口型线作为隔离段基准流场的入口捕获型线，在隔离段基准流场中，利用流线追踪法得到隔离段三维型面；

s303，将s301步骤和s302步骤中得到的进气道型面和隔离段型面拼接起来，即完成高超声速进气道与隔离段的一体化成型；

本发明通过采用流线追踪法对进气道和隔离段开展一体化设计，实现了进气道与隔离段流场衔接更加自然，流动更加顺畅，流动总压损失更小的技术效果。

由此实现了对高超声速进气道与隔离段的一体化设计。

本发明的有益效果是：

1)提出了一种新的隔离段设计方法。在满足几何约束的同时，由于是采用流线追踪获得的隔离段三维型面，因此设计的隔离段在同等条件下流动更加顺畅、流动总压损失更小；

2)提出了一种进气道与隔离段一体化设计的方法。进气道与隔离段三维型面均是采用流线追踪方式获得，因此进气道与隔离段流场衔接更加自然、流动更加顺畅、流动总压损失更小。

附图说明

图1为进气道基准流场；

图2为根据进气道出口和几何约束确定隔离段基准流场顶点；

图3为隔离段基准流场中心线确定

图4为隔离段基准流场上、下壁面确定

图5为确定控制点f2坐标的优化流程图

图6为隔离段基准流场

图7为进气道与隔离段一体化设计结果

图例说明：

i1i2表示为进气道基准流场入口，i3i5表示为进气道基准流场出口，i1i3表示为进气道基准流场上壁面，i4i5表示为进气道基准流场下壁面，i2i4表示为进气道基准流场中心体；

1为三维进气道构型，2为三维隔离段构型，11为进气道入口，12为进气道上壁面，13为进气道下壁面，14为进气道出口，15为中心体，16为旋转轴；21为隔离段入口，22为隔离段上壁面，23为隔离段下壁面，24为隔离段出口；

a表示为隔离段入口上顶点，b表示为隔离段入口下顶点，c表示为隔离段出口上顶点，d表示为隔离段出口下顶点，oi表示为隔离段入口中心，oo表示为隔离段出口中心，l表示为隔离段设计总长度约束，△y表示为偏心距约束，θ1表示为隔离段入口偏转角，rc表示为中心体高度，o表示过点o的水平线；

f1，f2，f3表示为自由控制点；

ac表示为隔离段基准流场上壁面，bd表示为隔离段基准流场下壁面；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例

本发明实施例包括以下步骤：

s1，确定隔离段基准流场型面，具体又可以分为三个步骤：

s101，根据进气道基准流场出口及隔离段设计几何约束确定隔离段基准流场型面的顶点；

实施例中进气道基准流场入口长度为单位1，其他长度量均以此为基准确定。由已经设计得到的如图1所示的进气道基准流场，根据进气道基准流场出口i3i5确定隔离段基准流场入口上顶点坐标a(5.017,0.053)，下顶点坐标b(4.983,0.447)，中心点坐标oi(5,0.25)，以及隔离段基准流场入口截面偏转角θ1＝-5^°。

根据隔离段设计总长度约束l＝4，偏心距约束△y＝0.75，确定隔离段基准流场3出口中心点坐标oo(9,1)；

根据隔离段出入口面积比1.1约束，确定出口cd长度lcd＝0.986，进一步确定隔离段出口上顶点坐标c(9,1.493)，下顶点坐标d(9,0.507)；

根据设计要求的中心体高度rc＝0.1约束，确定旋转轴o的y坐标1.593；

s101步骤的结果如图2所示。

s102，生成隔离段基准流场中心线oioo；

添加自由控制点f1(xf1,yf1)，f2(xf2,yf2)，f3(xf3,yf3)，其中控制点f1，f2，f3横坐标为oioo水平长度的四等分点，由此确定xf1＝6，xf1＝7，xf2＝9。控制点f1纵坐标yf1需要满足入口截面偏转角θ1＝-5°的要求，由此确定yf1＝0.338。控制点f3纵坐标yf2需要满足出口截面偏转角为0的要求，由此确定yf3＝1。

控制点f2纵坐标yf2为自由变量，可以是变化范围0.338<yf2<1中的任一数值，具体数值由后续优化算法得到。这一步在其变化范围内随机生成一初始值；

s102步骤的结果如图3所示。

s103，确定隔离段基准流场上壁面和下壁面；

根据结构设计的隔离段基准流场面积变化律约束，确定隔离段基准流场上、下壁面在x截面处的位置；

整个s1步骤的结果如图4所示。

s2，拼接进气道流场与隔离段流场；

根据图5中所示的优化流程，对步骤s1中步骤s102的控制点f2纵坐标yf2进行确定。最终优化得到控制点f2纵坐标yf2＝0.705，cfd计算的隔离段基准流场如图6所示。

s3，获得进气道与隔离段的三维型面，具体又可以分为三个步骤：

s301，在图1所示的进气道基准流场中，指定入口为圆形捕获型线，利用流线追踪法得到进气道三维型面；

s302，将步骤s301中得到的进气道出口型线作为隔离段基准流场的入口捕获型线，在图6所示的隔离段基准流场中，利用流线追踪法得到隔离段三维型面；

s303，将步骤s301和步骤s302中得到的进气道型面和隔离段型面拼接起来，即完成进气道与隔离段的一体化成型。图7为最终设计得到的高超声速进气道与隔离段一体化设计的结果。

在满足几何约束的条件下相比于现有技术而言，本发明中的隔离段设计考虑了流动方面的约束，采用流线追踪法在同等条件下流动更加顺畅、流动总压损失更小。由于本发明中进气道与隔离段的三维型面均是采用流线追踪法获得，因此进气道与隔离段流场衔接更加自然、流动更加顺畅、流动总压损失更小。