[发明专利]一种二元超声速进气道自起动性能预测方法

说明书

本发明公开了一种二元超声速自起动性能预测方法，其中，首先通过将临界不起动流场自下而上分为三层，依次为为粘性排移层、两激波层和主激波层，然后分别求解三种激波层在喉道处对应的高度，最后得到了考虑粘性影响的超声速进气道的自起动极限内收缩比。相较于Kantrowitz理论假设，本发明对于超声速进气道自起动极限的预测精度更高，与实际结果吻合更好。

技术领域

本发明属于飞行器进气道技术领域。

背景技术

超声速进气道作为亚燃冲压发动机的重要气动部件，其性能直接关系到发动机和飞行器总体的性能与工作稳定性。当超声速飞行器借助其他动力装置加速到亚燃冲压发动机最低工作马赫数(即转级马赫数)时，要求进气道能够实现从不起动状态到起动状态的转换，即进气道具备加速自起动能力。当飞行器加速至转级状态，一旦超声速进气道无法实现自起动，在唇罩入口处往往站立着一道正激波，使得进气道的流量捕获和所能承受的极限背压相比于起动状态均大幅降低，甚至导致燃烧室无法正常点火。因此，超声速进气道自起动性能的准确预测对于亚燃冲压发动机和超声速飞行器的高效、稳定工作至关重要。

超声速进气道自起动性能预测关键在于准确计算出极限内收缩比(ICR)。在极限内收缩比下，唇口入口初始不起动流场恰好能够被吞过喉道，并在内收缩段建立起通畅的超声速流场。早在1945年，Kantrowitz和Donaldson等人就提出了超声速扩压器自起动极限内收缩比的预测方法，从一维、无粘和流态准定常理论出发，假定内收缩段进口处站立一道正激波，喉道截面马赫数达到1，利用入口正激波的损失和质量流量守恒定律即可估算出自起动极限内收缩比，其表达式为：

Kantrowitz理论计算出的超声速扩压器自起动极限，作为起动与不起动之间的分界线，得到了风洞实验的准确验证。Veillard等人和N.Moradian等人分别研究了外压缩溢流对简单外压缩二元超声速进气道和普朗特-梅耶进气道自起动极限总收缩比的影响，发现利用内收缩比达到Kantrowitz极限来预测的极限总收缩比与无粘仿真结果吻合较好。

需要指出的是，Kantrowitz理论在提出伊始得到风洞实验的精准验证，是因为用于验证的超声速扩压器入口没有外压缩面，不存在正激波/边界层干扰。Veillard等人和N.Moradian等人的研究中进气道虽然有外压缩面，但自起动极限采用的是无粘仿真进行验证，粘性效应并未显现出来。然而，对于超声速进气道而言，由于粘性效应的存在，超声速进气道处于不起动状态时在内收缩段入口附近正激波与外压缩面边界层相互干扰诱发的“λ”波结构，而非一道单纯的正激波，导致其自起动极限偏离Kantrowitz无粘理论。Van Wie等人总结了多个超声速进气道的实验结果，发现超声速进气道的自起动极限与Kantrowitz理论值比较接近，但并非完全一致。这也表明：超声速进气道的不起动流场结构与Kantrowitz理论假设的无粘不起动流场结构存在相似性，但不完全相同。

边界层的粘性影响将带来缩比超声速进气道模型在地面风洞实验中获得的自起动性能与全尺寸进气道在真实飞行条件下自起动性能之间的偏差，给超声速进气道的气动设计带来不确定性，因此，为了更加准确的预测出超声速进气道的自起动极限内收缩比，必须考虑粘性的影响。

发明内容

发明目的：为了更加准确的预测出超声速进气道的自起动极限内收缩比，本发明基于超声速进气道的不起动流场结构特征，建立了考虑粘性影响的超声速进气道自起动性能预测方法。

技术方案：本发明可采用以下技术方案：

一种二元超声速自起动性能预测方法，包括以下步骤：

(1)、将临界不起动流场自下而上分为三层，分别为主激波层、两激波层和粘性排移层；