乘波体前体气动特性数值计算及实验验证

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1、第40卷第5期2010年9月航空计算技术Aeron跏ticaIComputingTechniqIleV01．40No．5Sep．2010乘波体前体气动特性数值计算及实验验证禹彩辉，高超，耿卫民，南江，郑博睿(西北工业大学翼型叶栅空气动力学国防科技重点实验室，陕西西安710072)摘要：对机身／发动机一体化构型的乘波体的气动特性进行了数值计算和分析，采用格心格式的有限体积方法求解雷诺平均N．S方程，对一体化构型的乘波体三维粘性流场进行了数值计算。同时对同一构型的测压模型进行高超声速测压风洞实验，计算结果与实验吻合良好。结果表明：乘波体具有高升力、低阻力

2、及大升阻比特性，飞行器前体预压缩效果明显，气动特性良好。关键词：乘波体；预压缩；升阻比；测压实验中图分类号：V21l文献标识码：A文章编号：1671．654x(20lO)05．0075．04引言Nonweiler在1959首先提出了由二维楔形流构造三维高超声速飞行器的基本构想¨J，后由Venn、nower和Nardo等研究出了A形乘波体【2]。1980年，R鹞．mussen教授提出了锥导乘波体概念∞]，后来设计出了锥导乘波体的优化模型【4]。Park研究了理想化的锥导乘波构型前体的空天飞行器，在对整个流场做轴对称简化的基础上进行了一体化构型的气动性能

3、计算”J。HimmasaKato通过求解抛物化N—s方程的方法对高超声速乘波体飞行器三维粘性流场进行了数值模拟研究[6J。乘波体因其高升力、低阻力及大升阻比特性，受到各国学者的普遍关注，已被公认为是高超声速飞行器的最佳气动外形。本文对机身／发动机一体化构型的乘波体飞行器的气动特性进行了计算分析和实验研究。主要的目的是研究前体的气动特性，包括预压缩性、升阻比、流场不均匀度等特性。本文采用格心格式的有限体积方法求解雷诺时均化的N—S方程，对乘波体三维粘性流场进行数值模拟，分别计算了来流马赫数肜。=6和7，迎角d=±4。、±2。、00、60、80时对应的各

4、个状态的流动。同时在肘。=6和7，迎角a=±40、±20、Oo、60、80状态下进行了乘波体高超声速测压实验。结果表明，乘波体前体预压缩效果明显，具有良好的气动特性。1计算与实验模型本文的乘波体外形为机身／进气道组合体再加上水平控制翼(两个)和垂直尾翼(两个)，如图1所示。模型下表面有进气道，模拟发动机，与乘波体外形构成一体化布局。乘波飞行器上表面压力近似等于来流压力，而下表面流动复杂。考虑到进气道前的压缩面对发动机人口流动有重要影响，实验中在实验模型的迎风面沿纵向测量线布较多的测点，而在背风面布置较少的测点，实验模型迎风面测压点布置见图2。本文将吸

5、气式超燃冲压发动机简化为收缩扩张矩形通道，在试验与计算中均处于不工作状态。实验在北京空气动力研究所FD一07风洞中进行。图1机身／进气道组合体／．￡‘彳=斗一一⋯一一。r：’⋯一一：⋯一-一●一一一l一——、、．．1收稿日期：2010—02一04修订日期：2010．0r7—27作者简介：禹彩辉(1984一)，男，湖南邵东人，硕士研究生，研究方向为计算流体力学。图2迎风面测压点布置图．76．航空计算技术第40卷第5期2计算网格及参数整个流场生成拓扑为C—O型的多块对接结构网格。由于几何模型对称且不考虑侧滑角，采用半模进行计算。对称面网格如图3所示。图3

6、乘波体对称面网格合良好。a=一4。时，下表面压力略低于上表面压力；随着迎角增大下表面压力由低于上表面增加到高于上表面，a=80时，上下表面压力系数相差0．12，说明该构型在适当正迎角下能产生较大的升力。在肘。=7，a=8。条件下，乘波体升力系数为0．0847，阻力系数为O．0121，升阻比为6．997。该构型飞行器具有高升力低阻力及大升阻比特性。本文采用雷诺平均的Navier—Stokes方程，计算乘波飞行器绕流流场。湍流模型采用．

7、}．∞SST两方程模型，通量空间离散为二阶精度迎风Roe格式，隐式时间椎沸．”～鼻算状态与实验状态基本一致，马赫数肘。

8、：6和图4M*=7，a28。压力云图7，迎角0【=±40、±20、0。、6。、8。共14个状态，单位长度的雷诺数分别为1．9×107m～。1．7×107m～。3计算结果与实验对比分析从图4、图5可以看出乘波构型的激波结构，该乘波体前体产生的弓形激波很好地附着在前缘上，整个升力体像是骑在激波上面。乘波体下表面处在经弓形激波压缩后的高压区内，且该高压区与上表面流场没有压力沟通，有效地抑制了侧缘溢流，因而具有高升力特性。图6给出了机身侧面流向压力系数分布。通过计算和实验的比较可以看出，计算结果和实验总体吻图5肘。：7，a：8。流场某横截面等压线图6膳。=7

9、机身侧面纵向测压线压力分布图7给出了M。=7，a=8。的马赫数云图，可以看出高超声速来流在前缘产生弓形激波、