激波形状与压力分布同时可控的双乘波构型设计方法

1.本发明涉及高超声速内外流双乘波构型设计领域，尤其涉及激波形状与压力分布同时可控的双乘波构型设计方法。

背景技术：

2.临近空间飞行器的发展已经为目前国际上竞相争夺空间技术的焦点之一。自20世纪60年代以来的大量研究充分表明，高效的气动外形设计是决定高超声速飞行器能否实现宽速域、泛空域机动飞行的基础。乘波体布局利用前缘附体激波近乎完美地将高压气流封闭在飞行器底部，实现高超声速飞行条件下高升阻比的气动要求，几乎已经成为高超声速飞行器气动布局设计的首选。近些年来，国内外学者围绕乘波体构型开展了大量研究，并获得了颇为丰硕的研究成果，使得乘波体飞行器的工程化应用趋于可能。
3.然而，单独乘波体的高气动性能并不能保证高超声速飞行的成功。美国空军首席科学教lewis曾经指出：“虽然完美的乘波理论可以帮我们很容易地设计出升阻比5-7的飞行器，但目前匹配上吸气式发动机的高超声速飞行器升阻比最大也只有3.8，制约总体性能的关键就在于缺乏高效的一体化设计方法。”因此，高超声速飞行成败的关键在于能否将吸气式发动机与乘波体飞行器之间进行高效的一体化。
4.针对这一问题，国内学者尤延铖等将乘波原理由外流乘波体推广至内流进气道设计，提出了利用激波封口特性设计内乘波进气道的思路。由于都采用了乘波原理，内乘波进气道和外流乘波体具有类似的气动性能特点——两者都能够精确地将轴对称的内/外激波封闭在物面一侧，以保证高的气动性能(升阻比/流量系数)。这也为两者的一体化气动设计提供可能。进一步地，尤延铖等基于吻切乘波理论提出了外流乘波体与进气道同时乘波的“双乘波”设计概念。通过设计截面上内外流激波曲率的连续过渡，“双乘波”理论实现了外压缩流与内收缩流动的有效耦合，在气动层面上实现了两者的一体化设计。
5.然而，上述方法设计的双乘波构型虽然能够精确地“骑乘”于轴对称内/外流激波之上，实现内外流动的有效耦合，但双乘波构型表面的压力分布并不可控，特别是内乘波段壁面的压力分布并不可控。这就意味着对应进气道的压缩性能无法控制，不利于一体化飞行器的设计。因此，本发明提出一种既能实现优异的内外流乘波特性，又能对壁面压力分布进行控制的设计方法，从而设计出能够满足不同飞行需求的双乘波构型。

技术实现要素：

6.本发明的目的在于解决现有技术中的上述问题，提供激波形状与压力分布同时可控的双乘波构型设计方法，既能保证优异的内外流双乘波特性，又能实现对双乘波构型壁面压力分布的控制，提高双乘波构型的综合性能，为高超声速内外流一体化设计提供新思路。
7.为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
8.激波形状与压力分布同时可控的双乘波构型设计方法，包括以下步骤：
9.1)根据设计需求，在设计横截面内指定所需前缘捕获曲线(fct)和三维激波曲线，其中三维激波曲线包含外流段和内流段两部分，外流段和内流段以平面激波进行过渡；根据曲率特性，求出外流段激波和内流段激波分别对应的曲率中心，并基于吻切乘波原理对外流段激波、内流段激波以及前缘捕获曲线(fct)进行离散；
10.2)在外流吻切平面内，根据给定的外流激波形状，利用弯曲激波理论求出外流激波对应的外流流线；然后构造所需的流向壁面压力分布，利用弯曲激波理论求出壁面压力分布对应的外流流线；将外流激波对应的外流流线与壁面压力分布对应的外流流线结合，并在设计截面处进行截断，获得该吻切平面内最终所需的外流流线；
11.3)在内流吻切平面内，根据给定的内流激波形状，利用弯曲激波理论求出内流激波对应的内流流线；然后构造所需的流向壁面压力分布，利用弯曲激波理论求出壁面压力分布对应的内流流线；将内流激波对应的内流流线与壁面压力分布对应的内流流线结合，并利用中心体处产生的反射激波进行截断，获得该吻切平面内最终所需的内流流线；
12.4)生成双乘波构型的上下表面，将步骤2)和步骤3)中所得的所有吻切平面中的外流流线与内流流线根据几何关系进行三维融合，即可获得双乘波构型的下表面；将双乘波构型的前缘型线沿流向拉伸至设计截面，即可获得双乘波构型的上表面。
13.步骤1)中，外流段和内流段的曲率半径分别由有限值向无穷大逼近，外流段和内流段相交处的曲率半径无穷大。
14.步骤2)中，给定的外流激波形状的参数包括离散点激波角、激波曲率以及来流条件。
15.步骤2)中，根据外流激波对应的外流流线的终点处的压力值构造所需的流向壁面压力分布曲线。
16.步骤2)中，根据外流激波对应的外流流线的终点得到左行特征线，以左行特征线为边界条件，配合壁面压力分布曲线中对应横坐标处的压力值，利用弯曲激波理论求出壁面压力分布对应的外流流线。
17.步骤3)中，给定的内流激波形状的参数包括离散点激波角、激波曲率以及来流条件。
18.步骤3)中，根据内流激波对应的内流流线的终点处的压力值构造所需的流向壁面压力分布曲线。
19.步骤3)中，根据内流激波对应的内流流线的终点得到右行特征线，以右行特征线为边界条件，配合壁面压力分布曲线中对应横坐标的压力值，利用弯曲激波理论求出壁面压力分布对应的内流流线。
20.所述弯曲激波理论的控制方程如下所示：
[0021][0022][0023]
[0024][0025][0026][0027][0028]
其中，p为压力，δ为流动角，μ为马赫角，ρ为密度，v为流向速度，w为周向速度，γ为比热比，j为判断因子，s为流线，l为特征线，φ为周向角度，p为沿流线压力的导数，d为气流角沿流线的导数，y为笛卡尔坐标系内纵坐标，a为当地声速。
[0029]
相对于现有技术，本发明技术方案取得的有益效果是：
[0030]
本发明一方面巧妙运用复杂弯曲激波展向曲率可在内外流间连续过渡的特点，实现了外流乘波体与内乘波进气道两者在气动层面上的一体化设计，能够兼顾外流乘波体的高升阻比与内乘波进气道的高捕获流量；另一方面，本发明考虑双乘波构型的壁面压力分布控制，可改善双乘波构型的容积特性以及压缩性能。
附图说明
[0031]
图1为激波形状与压力分布同时可控的双乘波构型设计横截面原理图；
[0032]
图2为外流吻切面内基准流场及压缩型线求解示意图；
[0033]
图3为内流吻切面内基准流场及压缩型线求解示意图；
[0034]
图4为激波形状与压力分布同时可控的双乘波构型示意图。
具体实施方式
[0035]
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚、明白，以下结合附图和实施例，对本发明做进一步详细说明。
[0036]
本发明根据设计需求，在设计截面内指定三维激波曲线，包含外流段与内流段两部分，两者以平面激波进行过渡，利用吻切乘波理论分别对两段激波进行离散。在外流吻切平面内，根据给定的激波形状，利用弯曲激波理论求出对应流线。随后，构造所需流向壁面压力分布，利用弯曲激波理论求出剩余流线。类似地，在内流吻切平面内，根据给定的激波形状和压力分布，利用弯曲激波理论求得对应流线。最后，将所有吻切平面中的外流流线和内流流线根据几何关系组合构成双乘波构型的下表面，以此保证对激波形状与压力分布的共同控制。
[0037]
具体地，本发明激波形状与压力分布同时可控的双乘波构型设计方法如下：
[0038]
1、根据设计需求，指定设计横截面上的前缘捕获曲线(fct)1和三维激波曲线，其中三维激波曲线包含外流段3和内流段4两部分。根据设计的激波曲线外流段3和内流段4的曲率特性，分别获取外流段和内流段分别对应的曲率中心8、6，并基于吻切乘波原理将三维
激波和前缘捕获曲线1离散成一系列的吻切平面，如图1所示。以对称面处为例简述离散过程，该吻切面与前缘捕获曲线1的交点为前缘曲线离散点10，吻切面与内流段4的交点为激波曲线离散点12。考虑到双乘波构型的对称性，图1仅展示了半模的激波分布特性。可以看到，内外流两段激波的曲率半径分别由有限值向无穷大逼近，两段激波相交处的曲率半径无穷大。因此，两段激波相交处吻切平面9内的流动实际上便是二维平面流动，以此实现内外流动的连续气动过渡。
[0039]
2、根据给定的激波形状及壁面压力分布，利用弯曲激波理论求解各外流吻切平面内的流线形状。本发明中仅以外流吻切平面7为例介绍求解过程，如图2所示。根据给定流向外流激波13上离散点激波角、激波曲率以及来流条件，利用弯曲激波理论求得外流激波对应的外流流线14。该流线的终点为图2中a点，同时该计算域的终点为左行特征线ab。根据a点处的压力值构造所需的流向壁面压力分布曲线16。以左行特征线ab为边界条件，配合壁面压力分布曲线16中对应横坐标x处的压力值，利用弯曲激波理论求解得到壁面压力分布对应的外流流线15。将外流激波对应的外流流线14与壁面压力分布对应的外流流线15结合，并在设计截面处进行截断，获得该吻切平面内最终所需的外流流线。需要特别指出的是，平面激波对应吻切平面9内的流线求解方式与外流吻切平面7相似，区别在于此平面内的曲率半径为无穷大。
[0040]
弯曲激波理论控制方程如下所示，其中p为压力，δ为流动角，μ为马赫角，ρ为密度，v为流向速度，w为周向速度，γ为比热比，j为判断因子，s为流线，l为特征线，φ为周向角度，p为沿流线压力的导数，d为气流角沿流线的导数，y为笛卡尔坐标系内纵坐标，a为当地声速。
[0041][0042][0043][0044][0045][0046][0047]
3、根据给定的激波形状与壁面压力分布，利用弯曲激波理论求解各内流吻切平面内的流线形状。本发明仅以内流吻切平面5为例，具体求解过程如图3所示。根据给定流向内流激波17上离散点激波角、激波曲率以及来流条件，利用弯曲激波理论求得内流激波对应
的内流流线18。该流线的终点为图3中d点，同时该计算域的终点为右行特征线de。根据d点处的压力值构造所需的流向壁面压力分布曲线22。以右行特征线de为边界条件，配合配合壁面压力分布曲线22中对应横坐标x处的压力值，利用弯曲激波理论求解得到壁面压力分布对应的内流流线19，并根据中心体21求得反射激波20。将内流激波对应的内流流线18与壁面压力分布对应的内流流线19结合，并利用中心体处产生的反射激波20进行截断，获得该吻切平面内最终所需的内流流线。
[0048]
4、生成双乘波构型的上下表面，其构型如图4所示。将步骤2和步骤3中所得的所有吻切平面中的外流流线与内流流线根据几何关系进行三维融合，即可获得此类双乘波构型的下表面，下表面与设计截面的交线2实际上就是由各吻切面内流线终点11组成。将双乘波构型前缘型线23沿流向拉伸至设计截面，即可获得此类双乘波构型的上表面。

技术特征：

1.激波形状与压力分布同时可控的双乘波构型设计方法，其特征在于包括以下步骤：1)根据设计需求，在设计横截面内指定所需前缘捕获曲线(fct)与三维激波曲线，其中三维激波曲线包含外流段和内流段两部分，外流段和内流段以平面激波进行过渡；根据曲率特性，求出外流段激波和内流段激波分别对应的曲率中心，并基于吻切乘波原理对外流段激波、内流段激波以及前缘捕获曲线(fct)进行离散；2)在外流吻切平面内，根据给定的外流激波形状，利用弯曲激波理论求出外流激波对应的外流流线；然后构造所需的流向壁面压力分布，利用弯曲激波理论求出壁面压力分布对应的外流流线；将外流激波对应的外流流线与壁面压力分布对应的外流流线结合，并在设计截面处进行截断，获得该吻切平面内最终所需的外流流线；3)在内流吻切平面内，根据给定的内流激波形状，利用弯曲激波理论求出内流激波对应的内流流线；然后构造所需的流向壁面压力分布，利用弯曲激波理论求出壁面压力分布对应的内流流线；将内流激波对应的内流流线与壁面压力分布对应的内流流线结合，并利用中心体处产生的反射激波进行截断，获得该吻切平面内最终所需的内流流线；4)生成双乘波构型的上下表面，将步骤2)和步骤3)中所得的所有吻切平面中的外流流线与内流流线根据几何关系进行三维融合，即可获得双乘波构型的下表面；将双乘波构型的前缘型线沿流向拉伸至设计截面，即可获得双乘波构型的上表面。2.如权利要求1所述的激波形状与压力分布同时可控的双乘波构型设计方法，其特征在于弯曲激波理论的控制方程如下所示：在于弯曲激波理论的控制方程如下所示：在于弯曲激波理论的控制方程如下所示：在于弯曲激波理论的控制方程如下所示：在于弯曲激波理论的控制方程如下所示：在于弯曲激波理论的控制方程如下所示：在于弯曲激波理论的控制方程如下所示：其中，p为压力，δ为流动角，μ为马赫角，ρ为密度，v为流向速度，w为周向速度，γ为比热比，j为判断因子，s为流线，l为特征线，φ为周向角度，p为沿流线压力的导数，d为气流角沿流线的导数，y为笛卡尔坐标系内纵坐标，a为当地声速。3.如权利要求1所述的激波形状与压力分布同时可控的双乘波构型设计方法，其特征在于：步骤1)中，外流段和内流段的曲率半径分别由有限值向无穷大逼近，外流段和内流段
相交处的曲率半径无穷大。4.如权利要求1所述的激波形状与压力分布同时可控的双乘波构型设计方法，其特征在于：步骤2)中，给定的外流激波形状的参数包括离散点激波角、激波曲率以及来流条件。5.如权利要求1所述的激波形状与压力分布同时可控的双乘波构型设计方法，其特征在于：步骤2)中，根据外流激波对应的外流流线的终点处的压力值构造所需的流向壁面压力分布曲线。6.如权利要求5所述的激波形状与压力分布同时可控的双乘波构型设计方法，其特征在于：步骤2)中，根据外流激波对应的外流流线的终点得到左行特征线，以左行特征线为边界条件，配合壁面压力分布曲线中对应横坐标处的压力值，利用弯曲激波理论求出壁面压力分布对应的外流流线。7.如权利要求1所述的激波形状与压力分布同时可控的双乘波构型设计方法，其特征在于：步骤3)中，给定的内流激波形状的参数包括离散点激波角、激波曲率以及来流条件。8.如权利要求1所述的激波形状与压力分布同时可控的双乘波构型设计方法，其特征在于：步骤3)中，根据内流激波对应的内流流线的终点处的压力值构造所需的流向壁面压力分布曲线。9.如权利要求8所述的激波形状与压力分布同时可控的双乘波构型设计方法，其特征在于：步骤3)中，根据内流激波对应的内流流线的终点得到右行特征线，以右行特征线为边界条件，配合壁面压力分布曲线中对应横坐标的压力值，利用弯曲激波理论求出壁面压力分布对应的内流流线。

技术总结

激波形状与压力分布同时可控的双乘波构型设计方法，本发明根据设计需求，在设计截面内指定前缘捕获曲线(FCT)及三维激波曲线，其中三维激波曲线包含外流段与内流段两部分，两者以平面激波进行过渡，利用吻切乘波理论分别对两段激波及前缘捕获曲线(FCT)进行离散。在外流吻切平面内，根据给定的激波形状，利用弯曲激波理论求出对应流线。随后，构造所需流向壁面压力分布，利用弯曲激波理论求出剩余流线。类似地，在内流吻切平面内，根据给定的激波形状和压力分布，利用弯曲激波理论求得对应流线。最后，将所有吻切平面中的外流流线和内流流线根据几何关系组合构成双乘波构型的下表面，以此保证对激波形状与压力分布的共同控制。制。制。