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低音爆超声速进气道设计参数影响与流动特性研究

低音爆超声速进气道设计参数影响与流动特性研究

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作者：高钰南京理工大学

学位级别：硕士

超声速客机被认为是空中旅行的未来,现阻碍其发展的重要因素:高噪音问题。超声速进气道作为气流的主要压缩部件,是产生激波扰动的重要来源,因此低音爆超声速进气道的研究对于发展超声速客机具有十分重要的意义。本文设计了二元、三维内... 详细信息

超声速客机被认为是空中旅行的未来,现阻碍其发展的重要因素:高噪音问题。超声速进气道作为气流的主要压缩部件,是产生激波扰动的重要来源,因此低音爆超声速进气道的研究对于发展超声速客机具有十分重要的意义。本文设计了二元、三维内转低音爆超声速进气道,采用数值模拟的方法对不同设计参数/飞行工况下的音爆强度和流动特性开展初步研究。首先,基于理论数值计算对气流流经楔角、膨胀角后的音爆理论强度进行分析并与无粘数值模拟进行对比分析,发现结果吻合度较高。前缘压缩角是影响远场静压最大峰值的主要因素,水平外唇罩的设计有利于产生膨胀波对超压进行减弱以达到降低音爆强度的目的。并由此设计了二元单楔低音爆进气道构型,分别探讨了前缘压缩角、内流道长度X、偏距L、抽吸缝、外唇罩开口等几何参数对进气道音爆强度和流动特性的影响规律。结果发现:内流道越长、偏距越小能有效降低进气道在非设计工况下的音爆强度和减小压缩面侧分离区,增加总压恢复系数。抽吸缝吸除了进气道肩部拐点后的分离区,不易出现气动喉道导致进气道壅塞。通过外唇罩开口可在不破坏进气道结构和流场的前提下有效降低进气道音爆强度。另外,通过二次函数壁面压升规律对内转进气道基准流场进行参数化设计,采用流线追踪、附面层修正技术获得三维内转低音爆进气道方案。数值模拟结果表明:中心体越大,可降低前缘激波在中心体处的弯曲程度和激波强度进而减小进气道的音爆强度。在设计工况（Ma=2.5）时,R/R=0.3进气道构型相对R/R=0.05进气道音爆强度减小了20%。二次函数壁面压升规律中系数A主要影响进气道的压缩性能,进气道音爆强度的改变主要受系数B的影响。在总收缩比相同的要求前提下,基准流场起始部分压力增长缓慢,后半部分压力迅速升高的基准流场（B>A>0）有利于减小进气道的音爆强度。最后,探究在非设计工况（攻角、反压、侧滑角）下的音爆强度和流动特性影响规律。进气道音爆强度随着攻角的增加而增强。在相同条件下,内转进气道的音爆强度要低于二元进气道。在抗反压的过程中,当进气道进入亚临界状态,出现脱体激波时,进气道的音爆强度随着溢流量的增加而增大。侧滑角使得进气道左右两侧气流分布不均,随着侧滑角的增加,在迎风侧出现较大分离区,进气道总压恢复系数下降;在背风侧由于马赫数的降低,前缘激波远离唇口位置,出现超声速溢流而提高进气道音爆强度。

关键词：低音爆进气道壁面参数可控数值模拟音爆特性流动特性

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