亚音速无人机S弯进气道优化设计及流动控制研究

• 作 者: 张竞
• 出 处: 浙江大学
• 发表日期: 2004年期
• 关键词: 亚音速S弯进气道 优化设计 流动控制 溢流孔 总压恢复 总压畸变

S弯进气道不仅具备良好的隐身性能,而且结构紧凑,轴向距离较短,在以涡喷发动机为动力的无人机设计中具有至关重要的作用。S弯进气道大曲率的几何特征会造成出口流场畸变较大,使流出S弯进气道的气流均匀性变差,容易使发动机发生喘振等事故。因此,开展S弯进气道气动特性的优化研究具有重要意义。本文首先通过对S弯进气道的几何形状进行优化设计来提高进气道的气动特性,但仅通过外形优化设计对进气道气动特性的改善有限,还需考虑流动控制技术。考虑到一些以涡喷发动机为动力的无人机为了冷却发动机会在进气道出口段布置溢流孔,本文创造性地提出基于溢流孔的流动控制技术,以实现进气道出口截面气动特性的有效提高,并将其应用于工程实际中。本文具体工作如下:(1)本文首先对某亚音速S弯进气道的几何形状进行了优化设计。搭建了基于NSGA-II优化算法的S弯进气道全自动多目标优化平台。利用搭建的优化平台,开展了S弯进气道的全自动优化设计,并最终得到优化结果。通过对优化前后进气道的气动性能进行对比分析发现,在设计马赫数时总压恢复系数PR略有提高,总压畸变改善明显,相比下降54%。本文进一步对比分析了优化前后的进气道在不同来流马赫数下的气动特性,研究发现,在非设计工况下,优化后进气道的性能也明显提高。(2)本文采用基于溢流孔的流动控制技术进一步改善了进气道的气动特性。主要研究了溢流孔布孔位置、布孔方式及排气量(溢流率)等因素对控制效果的影响。研究发现,设计溢流孔排布方案时,根据流场中低能流体分布区域有针对性地集中排布溢流孔,流动控制效果较佳。在出口等直段合理布置溢流孔,可以有效改善进气道出口的流场结构,降低总压畸变,但总压恢复改善有限;在分离区合理布置溢流孔,可有效改善S弯进气道流场品质,提高出口截面总压恢复,但畸变改善较小。溢流率对溢流孔的流动控制效果有显著影响,采取不同排布方案时进气道出口的总压畸变随溢流率变化趋势不同,对总压畸变改善效果来说,溢流率并非越大越好,但存在效果最佳的设计点。(3)本文针对一款工程实际中布置溢流孔的亚音速S弯进气道进行了基于溢流孔的流动控制研究。首先,采用传统溢流孔布置方案,对进气道气动特性的改善效果进行评估,发现传统方案对进气道出口气流品质的改善效果不佳。之后,设计了四种溢流孔布置方案,通过对比研究不同布置方案在不同溢流率下的控制效果,最终得到控制效果相对较好的布置方案,从而为该工程实际进气道的溢流孔排布提供了合理化建议。