蛇形进气道涡控设计研究

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinica0ct．252011V01．32No．101806．1814ISSN1000-6893ON11-1929／Vhttp：／／hkxb．buaa．edu．CFIhkxb@buaa．edu．Crl文章编号：1000—6893(2011)10—1806—09蛇形进气道涡控设计研究谢文忠*，郭荣伟南京航空航天大学能源与动力学院，江苏南京210016摘要：针对传统概念设计的蛇形进气道畸变大、总压恢复系数较低以及相应流场控制技术存在局限性等缺点，对典型蛇形进气道内通道二次

2、流的涡动力学形成及其对气流分离影响分析的基础上，提出了蛇形进气道涡控设计概念，并利用数值仿真进行了初步验证。仿真结果表明：与原型方案相比，蛇形进气道涡控设计方案成功抑制了上壁面大范围的气流分离，巡航状态畸变指数DC。。降低了76％。总压恢复系数提高T0．84％，并且能够在较宽广的飞行包线内以较高的性能安全工作，表明了涡控设计概念的可行性。同时，由于涡控设计概念无需添加任何辅助的流场控制措施，因此有望使蛇形进气道迈向工程实用。关键词：航空航天推进系统；蛇形进气道；涡控设计概念；涡动力学；流向涡；二次流；气流分离中图分类号：V211．3文

3、献标识码：A未来无人作战飞行器(UCAV)为了追求高隐身、高推重比和高敏捷性等先进战术指标，通常采用蛇形进气道以满足飞行器总体与推进系统在气动外形、电磁隐身【1]以及结构设计等方面的高度一体化。然而，采用传统概念设计的蛇形进气道极易发生气流分离，通常在出口一方形成一个较大的低总压区[2。0

4、，导致进气道性能急剧下降，尤其是出口截面的流场畸变已远远超出了发动机所能承受的极限。针对蛇形进气道以及具有相似流动特征的大偏距短扩压S弯进气道。国内外学者开展的大量工作主要集中在相关的流场控制技术研究，包括叶片式涡流发生器[7]、气动式涡流发生器【

5、53和合成射流[1¨以及以气动式涡流发生器和合成射流等有源流场控制技术为气流分离抑制措施的主动流场控制技术[12

6、。虽然这些流场控制措施能够在一定程度上改善蛇形进气道的气动性能，但是不可避免在不同程度上体现出了各自的缺点：叶片式涡流发生器由于其天生的被动控制模式，导致其只能针对某一特定工况获得较优的流场控制性能，而在其他工况下则可能增加额外的阻力；气动式涡流发生器需要引入高压气源和安排气路，属于有源流场控制模式，导致其最终净增益有所减小；基于非定常脱涡流型的合成射流，其流场控制机理更加复杂，所以目前仍主要集中于机理性研究Ll引。此外，

7、未来工程实用的合成射流激励器必然要求具备更长的疲劳寿命【l4。。对于蛇形进气道的主动流场控制技术，如何准确监测、评估和反馈内通道的气流分离和出口流场畸变是其应用和发展的主要难题，目前仍处于机理性研究阶段【l5

8、，距实际应用尚有一定的距离。同时主动控制系统结构复杂，额外重量增加，维护成本也相应升高。鉴于弯曲管道二次流对内流场气流分离和收稿日期：2010-12—22；退修日期：2011—03—10；录用日期：20II-04—18；网络出版时间：2011．04．2611：22：23网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／detai

9、l／11．1929．V．20110426．1122007．htmIDOI：CNKI：11．1929／V．20110426．1122．007基金项目：国家自然科学基金(11002069)；南京航宅航天大学青年科技创新基金(NS2010051)*通讯作者．Tel．：025-84892271E-mail：xie—wenzhong@126．com引用格式l谢文惠。郭荣伟÷蛇形迸气遵涡控设计研究[J]．航空学壤。20II．32(10)：1806-1814．XieWenzhong．GuoRongwei?Vor-tex．controlleddesi

10、gnresearchforserpentineinle《J]．ActaAeronauticaetAstronauticaSinica．2011。32(10)：1806．1814，谢文忠等：蛇形进气道涡控设计研究气动性能存在显著影响““，本文基于涡动力学基本原理，对蛇形进气道二次流的涡动力学形成及其对边界层迁移路径和气流分离的影响分析，提出并利用数值仿真初步验证了蛇形进气道的涡控设计概念，即仅仅依靠气动型面设计生成与导致气流分离的旋流方向相反且强度适中的旋涡(即涡控设计中的“涡”，本文称之为受控旋涡)，从气动型面设计的源头达到抑制气流分

11、离的目的，以避免各种辅助的流场控制措施带来的种种弊端。1研究方法以文献[73中未加涡流发生器的蛇形进气道方案作为原型方案，先利用试验结果对本文的数值方法进行验证，然后以该原型方案作为传统概念设计的蛇形进气道典型方案对其内