基于可變壁面壓力分布規(guī)律的吻切流場(chǎng)乘波前體設(shè)計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及高超聲速飛行器氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)的技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于可變壁面壓力分布規(guī)律的吻切流場(chǎng)乘波前體設(shè)計(jì)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]吸氣式高超聲速飛行器是指飛行馬赫數(shù)大于5、以吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)或其組合發(fā)動(dòng)機(jī)為主要?jiǎng)恿?、能在大氣層和跨大氣層中遠(yuǎn)程飛行的飛行器，其應(yīng)用形式包括高超聲速巡航導(dǎo)彈、高超聲速有人/無(wú)人飛機(jī)和空天飛機(jī)等多種飛行器。
[0003]高超聲速飛行器的氣動(dòng)外形，主要有軸對(duì)稱構(gòu)型、升力體構(gòu)型和乘波體構(gòu)型三大類，其中乘波體構(gòu)型利用激波壓縮原理(乘波原理)實(shí)現(xiàn)了在高超聲速飛行條件下高升阻比的氣動(dòng)要求，除了如何兼顧前緣氣動(dòng)熱防護(hù)與氣動(dòng)性能的問(wèn)題以外，對(duì)該構(gòu)型的研究已趨于成熟。
[0004]乘波體構(gòu)型設(shè)計(jì)方法的核心是基準(zhǔn)流場(chǎng)的選擇，不同的基準(zhǔn)流場(chǎng)對(duì)應(yīng)不同的設(shè)計(jì)方法，已有的方法有以下幾種:楔導(dǎo)法、錐導(dǎo)法、楔錐法及基于超聲速軸對(duì)稱流動(dòng)的吻切類生成方法。其中，吻切類設(shè)計(jì)方法主要包括吻切錐設(shè)計(jì)理論、吻切軸對(duì)稱設(shè)計(jì)理論以及吻切流場(chǎng)設(shè)計(jì)理論。吻切錐理論使得乘波體底部橫截面的激波線形狀不再局限于圓弧或直線，而是可以根據(jù)進(jìn)氣道唇口外形進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。吻切軸對(duì)稱理論提出吻切平面內(nèi)的基準(zhǔn)流場(chǎng)可以不再局限于錐形流場(chǎng)，而是可以根據(jù)設(shè)計(jì)需要選用合適的軸對(duì)稱基準(zhǔn)流場(chǎng)。應(yīng)用吻切錐和吻切軸對(duì)稱理論可以得到橫向流動(dòng)更均勻的乘波體構(gòu)型，并能夠有效地改善乘波前體(進(jìn)氣道入口)流場(chǎng)品質(zhì)，有利于機(jī)身-進(jìn)氣道一體化設(shè)計(jì)。吻切流場(chǎng)理論提出每個(gè)吻切平面內(nèi)的基準(zhǔn)流場(chǎng)不再局限于同一個(gè)軸對(duì)稱流場(chǎng)，而是可以根據(jù)設(shè)計(jì)需要在每個(gè)吻切平面內(nèi)選用不同的軸對(duì)稱基準(zhǔn)流場(chǎng)。
[0005]2011年，賀旭照等人在文獻(xiàn)《密切曲面錐乘波體一一設(shè)計(jì)方法與性能分析》(力學(xué)學(xué)報(bào))中提出了一種采用具有直線激波和等熵壓縮波系的曲面錐作為基準(zhǔn)流場(chǎng)的設(shè)計(jì)方法，有效克服了傳統(tǒng)吻切錐乘波體壓縮量不足及容積率偏小的缺點(diǎn)。但是，該方法存在一定的缺陷，即由于壓升比的提高，導(dǎo)致乘波前體高升阻比特性得不到充分發(fā)揮。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明提供一種基于可變壁面壓力分布規(guī)律的吻切流場(chǎng)乘波前體設(shè)計(jì)方法，解決現(xiàn)有乘波前體只能按壁面壓力恒定分布規(guī)律進(jìn)行設(shè)計(jì)的不足。基于這一方法設(shè)計(jì)的乘波前體既能夠滿足進(jìn)氣道入口高壓升比的要求，又能夠充分發(fā)揮乘波前體的高升阻比特性。
[0007]為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案:
[0008]—種基于可變壁面壓力分布規(guī)律的吻切流場(chǎng)乘波前體設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟:
[0009]S1、給定三種壁面壓力分布規(guī)律不同曲線，分別為壁面壓力升高的曲線、壁面壓力恒定的曲線及壁面壓力降低的曲線，將三曲線分別作為回轉(zhuǎn)體母線，設(shè)計(jì)三種不同的回轉(zhuǎn)體，分別求解繞這三種回轉(zhuǎn)體的超聲速軸對(duì)稱流場(chǎng)，并將求解得到的流場(chǎng)作為三種壁面壓力分布規(guī)律不同的基準(zhǔn)流場(chǎng)；
[0010]S2、根據(jù)乘波前體的性能要求，將激波出口型線分為三段進(jìn)行設(shè)計(jì)，并保證設(shè)計(jì)的型線在每段曲線的連接處曲率連續(xù)，即曲線的二階導(dǎo)數(shù)連續(xù)，然后根據(jù)所設(shè)計(jì)的激波出口型線，應(yīng)用吻切原理在每個(gè)吻切平面進(jìn)行流場(chǎng)求解，所有的吻切平面流場(chǎng)組合成三維基準(zhǔn)流場(chǎng)；
[0011]S3、給定乘波前體前緣線在底部的投影曲線，根據(jù)步驟S2的激波出口型線，在步驟S2的每個(gè)吻切平面內(nèi)使用流線追蹤法，生成吻切流場(chǎng)乘波前體氣動(dòng)構(gòu)型。
[0012]本發(fā)明采用吻切流場(chǎng)理論為基礎(chǔ)，給定相同的來(lái)流條件，根據(jù)乘波體展向不同位置性能的要求，在進(jìn)氣道入口位置(即乘波體展向中間部位)選取壁面壓力升高的基準(zhǔn)流場(chǎng)，保證進(jìn)氣道入口高壓升比特性；在乘波體展向兩端選取壁面壓力降低的基準(zhǔn)流場(chǎng)，使得乘波前體高升阻比的特性得到充分發(fā)揮；在上述兩個(gè)位置之間的部分選取壁面壓力恒定的基準(zhǔn)流場(chǎng)，作為過(guò)渡。
[0013]本發(fā)明的有益技術(shù)效果:
[0014]本發(fā)明提供了一種新的乘波體設(shè)計(jì)方法，S卩，基于可變壁面壓力分布規(guī)律的吻切流場(chǎng)乘波前體設(shè)計(jì)方法，這一方法克服了傳統(tǒng)吻切錐乘波體只采取一種壁面壓力分布規(guī)律的基準(zhǔn)流場(chǎng)進(jìn)行設(shè)計(jì)的不足，該方法可根據(jù)乘波體展向不同位置性能的要求，在進(jìn)氣道入口位置(即乘波體展向中間部位)選取壁面壓力升高的基準(zhǔn)流場(chǎng)，保證進(jìn)氣道入口高壓升比特性；在乘波體展向兩端選取壁面壓力降低的基準(zhǔn)流場(chǎng)，使得乘波前體高升阻比的特性得到充分發(fā)揮；
【附圖說(shuō)明】
[0015]圖1為三種不同壁面壓力分布規(guī)律的基準(zhǔn)流場(chǎng)剖面圖；
[0016]其中，直線1-3-11表示由母線1-2生成的圓錐在設(shè)計(jì)狀態(tài)下產(chǎn)生的激波；2_11表示由2點(diǎn)發(fā)出的左行特征線；1-2-5、1-2-6、1-2-7分別表示壁面壓力升高、壁面壓力恒定、壁面壓力降低的三條回轉(zhuǎn)體母線；曲線3-4-8表示在母線1-2-5生成的回轉(zhuǎn)體產(chǎn)生的流場(chǎng)中流線追蹤獲得的流線；曲線3-4-9表示在母線1-2-6生成的回轉(zhuǎn)體產(chǎn)生的流場(chǎng)中流線追蹤獲得的流線；曲線3-4-10表不在母線1-2-7生成的回轉(zhuǎn)體廣生的流場(chǎng)中流線追蹤獲得的流線；12表示壁面壓力升高回轉(zhuǎn)體母線在點(diǎn)5處的傾斜角；13表示壁面壓力恒定回轉(zhuǎn)體母線在點(diǎn)6處的傾斜角；14表示壁面壓力降低回轉(zhuǎn)體母線在點(diǎn)7處的傾斜角；15表示基準(zhǔn)流場(chǎng)的總長(zhǎng)；16表示基準(zhǔn)流場(chǎng)的總寬，即激波出口半徑；17表示回轉(zhuǎn)體的初始?jí)嚎s角，即母線1-2-6和X軸的夾角；
[0017]圖2為激波出口截面示意圖；
[0018]其中，18為乘波前體前緣線在激波出口截面的投影線，也為乘波前體上表面后緣線；19為乘波前體下表面后緣線；20為激波出口型線；21為點(diǎn)25對(duì)應(yīng)的吻切錐；22為點(diǎn)25對(duì)應(yīng)的吻切錐頂點(diǎn)在激波出口截面的投影點(diǎn)；23點(diǎn)為點(diǎn)22和點(diǎn)25連線和乘波前體上表面后緣線的交點(diǎn)；點(diǎn)24為點(diǎn)22和點(diǎn)25連線和乘波前體下表面后緣線的交點(diǎn)；25為激波出口型線上的任意點(diǎn)；26為過(guò)點(diǎn)25的吻切平面；曲線27-28、28-29、29-29 '、28 ' -29 '和27丨-28丨構(gòu)成激波出口型線20 ；30為過(guò)點(diǎn)25的曲率圓；
[0019]圖3為吻切面內(nèi)流線追蹤不意圖；
[0020]其中，31為點(diǎn)25對(duì)應(yīng)的吻切錐頂點(diǎn)；32為點(diǎn)25對(duì)應(yīng)的前緣點(diǎn)；
【具體實(shí)施方式】
[0021]本發(fā)明提供一種可變壁面壓力分布規(guī)律的吻切流場(chǎng)乘波前體設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟:
[0022]步驟S1、給定三種壁面壓力分布規(guī)律不同曲線，分別為壁面壓力升高的曲線、壁面壓力恒定的曲線及壁面壓力降低的曲線，將三曲線分別作為回轉(zhuǎn)體母線，設(shè)計(jì)三種不同的回轉(zhuǎn)體，分別求解繞這三種回轉(zhuǎn)體的超聲速軸對(duì)稱流場(chǎng)，并將求解得到的流場(chǎng)作為三種壁面壓力分布規(guī)律不同的基準(zhǔn)流場(chǎng)。
[0023](I)給定直線段1-2-6，直線段的一端點(diǎn)為點(diǎn)1，直線段的另一端點(diǎn)為點(diǎn)6，點(diǎn)2為直線段中間的一點(diǎn)，點(diǎn)I位于X軸上，直線段1-2-6與X軸的夾角為17，夾角17等于直線段在點(diǎn)6處的夾角13，以直線段1-2-6作為回轉(zhuǎn)體母線，使其繞著X軸360°旋轉(zhuǎn)形成直圓錐，所成直圓錐即為壁面壓力恒定的回轉(zhuǎn)體；
[0024](2)在點(diǎn)6的正上方給定一點(diǎn)5，在點(diǎn)2和點(diǎn)5之間設(shè)計(jì)一外擴(kuò)張曲線2_5，本發(fā)明外擴(kuò)張曲線2-5為拋物線形式的曲線，曲線2-5和直線1-2在點(diǎn)2處一階導(dǎo)數(shù)連續(xù)，并結(jié)合2點(diǎn)和5點(diǎn)的坐標(biāo)，