[发明专利]完全气动过渡的三维方转椭圆进气道设计方法

说明书

本发明公开了完全气动过渡的三维方转椭圆进气道设计方法，包括三维方转椭圆进气道，三维方转椭圆进气道包括三维方转椭圆进气道压缩面、三维方转椭圆进气道唇口、三维方转椭圆进气道肩部型线、三维方转椭圆进气道隔离段，步骤如下：1)根据设计要求采用特征线法求解轴对称基本流场；2)设计三维方转椭圆进气道初始出口类矩形截面，并在基本流场中进行流线追踪；3)根据入口、出口截面二维投影图确定流线放大比例，应用放大后的流线进行坐标转换生成三维方转椭圆进气道压缩型面；4)以三维方转椭圆进气道压缩型面为基础对高超声速三维方转椭圆进气道进行几何构造，将三维方转椭圆进气道肩部型线向后等直拉伸得到三维方转椭圆进气道隔离段。

技术领域

本发明涉及三维方转椭圆进气道的技术领域，特别是涉及一种完全气动过渡的三维方转椭圆进气道设计方法。

背景技术

临近空间飞行器的发展涉及国家安全与和平利用空间，是目前国际竞相争夺空间技术的焦点之一。以美国、俄罗斯为代表的世界强国都在大力推进各自的高超声速飞行研制计划。而超燃冲压发动机作为实现高超声速飞行器的关键技术，更是世界各国争相关注的热门领域之一。进气道位于高超声速飞行器推进系统的最前部，直接与高超声速飞行器前体相连接，起着压缩来流，为下游提供尽可能多高能气流的作用。经过长期的发展人们提出了一系列高超声速进气道形式，主要包括：二元式进气道、轴对称式进气道、侧压式进气道，并就它们的设计方法、流动特征、工作特性、工程设计研究等问题开展了研究。此外，国外研究人员还提出了一系列三维内收缩高超声速进气设计思路和方案。如：美国Astrox公司的P.K.Ajay等提出的“Funnel”型进气道概念；美国航天宇航研究中心的M.K.Smart等提出的将矩形进口光滑转为椭圆形出口；美国约翰霍普金斯大学F.S.Billig等提出的流线追踪Busemann进气道的思路等。在国内，尤延铖等学者率先将外流乘波理论运用在进气道内流研究中，提出了一种被称为内乘波式的三维内收缩高超声速进气道。数值模拟和高焓风洞试验证实：设计状态下，该进气道可以全流量捕获来流；在非设计状态，该类进气道可以通过进口的自动溢流，明显改善低马赫数工作能力，因而具有较好的总体特性。

虽然在高超声速进气道研究领域，各项研究已经取得了显著的进展，部件性能也在不断提升。然而，按照传统的流线追踪法生成的进气道进出口形状必然一致。M.K.Smart也只是通过型面变换将矩形进口光滑转为椭圆形出口，这会牺牲三维内转进气道的气动性能。迄今为止，科研人员尚未得到可以直接流线追踪生成类矩形进口完全气动过渡至椭圆形出口的三维内转进气道设计方法。由此可见，提供一种完全气动过渡的三维方转椭圆进气道设计方法对提高高超声速三维内转进气道性能与应用范围具有重要意义。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种完全气动过渡的三维方转椭圆进气道设计方法。

本发明采用如下技术方案：完全气动过渡的三维方转椭圆进气道设计方法，包括三维方转椭圆进气道，所述三维方转椭圆进气道包括三维方转椭圆进气道压缩面、三维方转椭圆进气道唇口、三维方转椭圆进气道肩部型线、三维方转椭圆进气道隔离段，所述三维方转椭圆进气道的进口为类矩形，三维方转椭圆进气道的出口为椭圆形，所述三维方转椭圆进气道压缩型面于三维方转椭圆进气道肩部型线处转平进入三维方转椭圆进气道隔离段，三维方转椭圆进气道唇口位置由设计条件下三维方转椭圆进气道入射激波反射点位置确定，三维方转椭圆进气道设计锥切面上流线与三维方转椭圆进气道初始锥切面上流线在二维投影图内的投影距离的比值为这一锥切面内流线放大比例，根据这一锥切面内流线放大比例，以进气道前缘点为基点放大轴对称基本流场内对应的流线，运用相同方法，计算每个锥切面内流线的放大比例，并将放大后的流线布置于对应锥切面内得到三维方转椭圆进气道压缩型面，方法步骤如下：

1)根据设计要求采用特征线法求解轴对称基本流场；

2)设计三维方转椭圆进气道初始出口类矩形截面，并在步骤1)所述基本流场中进行流线追踪；