基于马赫数分布可控曲面外∕内锥形基准流场的前体∕进气道一体化设计

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaJan252015V01．36No．1289—301ISSN1000．6893CN11．1929／Vhttp：Hhkxb．buaa．edu．cnhkxb@buaa．edu．CFI基于马赫数分布可控曲面外／内锥形基准流场的前体／进气道一体化设计李永洲，张垄元*南京航空航天大学能源与动力学院，南京210016摘要：提出了一种高超声速飞行器乘波前体的外锥形基准流场设计方法，在锥面马赫数分布规律给定的条件下，通过有旋特征线法实现反设计，提高

2、了基准流场设计的灵活性。该基准流场通过锥形“下凹”弯曲激波和波后等熵压缩波系压缩气流，可以在较短的长度内完成高效压缩。基于反正切马赫数分布外锥形基准流场设计的乘波前体具有较高的容积率，乘波特性良好且出口均匀，设计点时有黏升阻比为1．89。另外，基于该乘波前体和马赫数分布可控的内收缩进气道给出了一种双乘波的前体与进气道一体化设计方案，实现了内外流分别独立乘波，充分发挥了乘波前体和内收缩进气道的各自优势。关键词：高超声速进气道；乘波前体；基准流场；马赫数分布；双乘波；一体化设计中图分类号：V231．3文献标识码：

3、A文章编号：1000—6893(2015)01—0289—13在高超声速飞行器设计中，飞行器前体的流场与发动机的流场存在强烈的耦合作用，为了实现飞行器总体性能在整个工作范围内最优，这就要求飞行器机体与发动机一体化设计[1]，而其核心就是前体与进气道的一体化¨。3]。显然，高效的一体化设计离不开高性能的前体与进气道设计。对于前体而言，乘波体以其具有的较高升阻比和初步的反设计等特点成为一种理想构型[4]。目前，乘波前体的设计方法主要分为2类[s]：一种是明确激波生成体的乘波体设计理论，另一种是吻切乘波体设计理论[

4、61(包括吻切锥和吻切轴对称理论)。第1种设计方法首先根据气动性能选择激波生成体或称基准流场，然后沿指定的前缘捕获型线(FlowCaptureTube，FCT)进行流线追踪获得流面作为飞行器下表面，其中基准流场可以是轴对称或者任意非轴对称的，如圆锥[7]、平面楔[8]、椭圆锥D]，楔锥‘103等；第2种设计方法是将当地的三维流动通过二维轴对称流动来近似，在同时指定任意捕获型线和下表面激波形状(也称进气道捕获型线(InletCaptureCurve，ICC))的前提下，通过流线追踪技术设计出满足要求的乘波体外形

5、，设计方法更加灵活。吻切锥设计方法可以控制横截面内激波形状，吻切轴对称理论更进一步，将当地吻切面内的激波形状由直线推广到曲线。以上两种设计方法可以看出，激波生成体即基准流场的性能直接决定了设计的乘波体总体性能，乘波体设计的关键是基准流场。典型的锥导乘波体和吻切锥乘波体使用的都是圆锥绕流流场，流场简单且有精确解，但是其流场的压缩效率偏低，因此曲面锥形基准流场被用于乘波体设计，其分为内锥形和外锥形2种。文收稿日期：2014-07—25；退修日期：2014-09—10；录用日期：2014—09-17；网络出版时间：

6、2014—09-2215：40网络出版地址：wwwcnkinet／kcms／detail／107527／Sl000．6893．20140263．htmI基金项目：国家自然科学基金(90916029，91116001，11102087)*通讯作者Tel．：025—84892201—2100E-mail：zkype@nuaaedu．CR戮用格武lLiYZ。ZhangKY．Integrateddesignofforebodyandinletbasedonexternalandinternalconicalbasic

7、flowfleIdwithcontrolledMachnumberdistributionsurfaceEJJ．ActaAeronauticaetAstronauticaSinica．2015．36(1)：289-301．李采朔，张壁元．基f马赫檄分布可控萄面补／内锥形基准漉场的前体／迸气遒一体忧设计[J]．航空学报，2015．36(I)：289-301航空学报Jan．252015Vol36No．1献[11]基于内锥形基准流场获得了乘波前体，与基于圆锥绕流的乘波体相比，其升力明显更高但是升阻比更小。文献[12

8、]的吻切乘波前体采用了ICFA(InternalConicalFlow“A”)内锥形基准流场，其压缩激波为直线，波后为膨胀波系而且对应物面过短。文献[13]采用直线激波加等熵压缩波系的曲面外锥作为基准流场设计了吻切乘波体，相对吻切锥乘波体，其具有更高的压缩效率、容积率和出口均匀性。但是，该设计方法无法有效控制激波的形状和波后流场，而且激波为直线。为了进一步提高基准流场设计的灵活性和可控性，更方便实现