[发明专利]一种带边界层排移的轴对称预压缩前体的设计方法

摘要

本发明提出一种带边界层排移的轴对称预压缩前体的设计方法，首先设计压力可控流场，其中所设计的压力可控流场为外转轴对称压力可控流场，该压力可控流场由直激波依赖流场和主压缩流场两部分组合而成。然后进行基于压力可控流场的飞行器预压缩前体设计，由于基于压力可控流场的飞行器预压缩前体是对称的，先设计关于对称面一半的前体壁面，然后通过对称变换得到完整的预压缩前体型面。本发明对预压缩前体进行整体设计，能在设计中兼顾前体的压缩性、对边界层的排移性和对气流的全捕获，同时也提高了设计效率。

主权项

1.一种带边界层排移的轴对称飞行器预压缩前体的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：S1.设计压力可控流场，其中所设计的压力可控流场为外转轴对称压力可控流场，该压力可控流场由直激波依赖流场和主压缩流场两部分组合而成；S1.1求解飞行器前体产生的初始激波线后的锥形流场已知飞行器前缘点、飞行器中心轴、远场来流条件以及唇口中心点，远场来流条件括压力P，密度ρ，静温T以及马赫数Ma；进气道唇口上的中点，即唇口中心点；将经过飞行器前体产生的初始激波线的竖直平面称为竖直对称面；定义飞行器中心轴所在直线为x轴，垂直于x轴方向为y轴，给定飞行器前缘点至唇口中心点间的水平距离L2，给定飞行器处于0攻角飞行时竖直对称面内唇口中心点距飞行器中心轴的距离H，飞行器前体产生的初始激波线经过唇口中心点以实现对气流的全流量捕获；飞行器前体产生的初始激波线与x轴夹角为初始激波角β，其大小为β＝arctan(H/L2)  (1)以初始激波角β和远场来流条件为输入条件，基于Taylor‑Maccoll方法求解初始激波角β所对应的壁面线以及飞行器前体产生的初始激波线后的锥形流场，其中所述锥形流场结构为从圆锥顶点发出的每一条斜率为tan(ψ)的射线上流动参数不变，求解每条射线上的流动参数即完成飞行器前体产生的初始激波线后的锥形流场的求解；S1.2确定直激波依赖流场飞行器前体产生的初始激波线与进气道唇口相交于唇口中心点，唇口中心点上的流动参数与飞行器前体产生的初始激波线上的流动参数相等，由此得到唇口中心点的流动参数；激波角为β的初始激波线对应的壁面线，其斜率由S1.1求解得到；过唇口中心点作与x轴夹角为180°‑α的直线，交激波角为β的初始激波线对应的壁面线于第一点；由此确定出第一点的位置，其中α＝θ4+arcsin(1/Ma4)  (16)式中θ4、Ma4分别表示唇口中心点处的流动角和马赫数；称飞行器前缘点和第一点的连线为直激波依赖流场壁面线；由飞行器前体产生的初始激波线、直激波依赖流场壁面线以及唇口中心点与第一点间的连线所形成的流场区域绕飞行器中心轴旋转一周即为直激波依赖流场；S1.3求解主压缩流场求解主压缩流场即求解经过飞行器前缘点且与竖直对称面成θ的平面上的主压缩流场，θ的取值范围为0≤θ≤θc，其中θc为给定值；S1.3.1给定主压缩流场压力分布：式中，自变量x代表横坐标，取值范围为x5＜x＜L1，其中L1为给定值，是飞行器前体长度；x5代表第一点的横坐标；θ表示欲求解的主压缩流场所处平面与对称面所在流场平面的夹角；kθ为只与θ相关的量，满足0≤kθ≤1，通过改变kθ，实现对压力分布在θ方向上的控制；式(17)中P5为第一点处的压力值，由直激波依赖流场求解过程得到，P(x,θ)与直激波依赖流场壁面线上的压力值在第一点处相切；由此实现了通过压力函数P(x,θ)控制x方向和θ方向上的压力分布；S1.3.2在θ的取值范围内均匀选取多个离散点，然后求解每个离散点对应的经过飞行器前缘点且与竖直对称面成θ的平面上的主压缩流场；θ＝0时，θ＝0所在平面上的主压缩流场即竖直对称面上主压缩流场，竖直对称面上主压缩流场的求解方法如下：以唇口中心点与第一点间的连线上点的流动参数和压力曲线P(x,θ)作为求解竖直对称面上主压缩流场的输入条件，求解竖直对称面上主压缩区流场壁面线，求解由竖直对称面上主压缩区流场壁面线、唇口中心点与第一点间的连线以及由唇口中心点与竖直对称面上主压缩区流场壁面线的末端点之间连线所形成的竖直对称面上主压缩流场的内部点的位置参数和流动参数，即完成竖直对称面上由唇口中心点与第一点间的连线、由唇口中心点与竖直对称面上主压缩区流场壁面线的末端点之间连线和竖直对称面上主压缩区流场壁面线所形成的竖直对称面上主压缩流场的求解；由直激波依赖流场壁面线和竖直对称面上主压缩区流场壁面线所组成的曲线为竖直对称面上压力可控流场壁面线；由竖直对称面上主压缩流场壁面线、初始激波线和由唇口中心点与竖直对称面上主压缩区流场壁面线的末端点之间连线所形成的区域绕X轴旋转一周形成的流场区域即为竖直对称面上主压缩流场；对于其他离散点，均采用竖直对称面上主压缩流场相同的方法求解各离散点对应的经过飞行器前缘点且与竖直对称面成θ夹角平面上的主压缩流场；同样在求解过程中能够得到各离散点对应的与竖直对称面呈θ夹角平面内的主压缩区流场壁面线；S2基于压力可控流场的飞行器预压缩前体设计基于压力可控流场的飞行器预压缩前体是对称的，先设计关于对称面一半的前体壁面，然后通过对称变换得到完整的预压缩前体型面，方法如下：使用商业软件SolidWorks中的曲面放样功能得到第一曲线以及由竖直对称面上主压缩流场壁面线、第一曲线和与竖直对称面呈θc夹角平面内的主压缩区流场壁面线所构成的曲面，再通过对称变换，即可得到完整的带边界层排移能力的预压缩前体型面；其中第一曲线的起点是竖直对称面上主压缩区流场壁面线的末端点，第一曲线的末端点是与竖直对称面呈θc夹角平面内的主压缩区流场壁面线的末端点。