锯齿状唇口超声速轴对称进气道设计及特性研究

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为了探究锯齿状唇口对进气道流场特性及气动性能的影响,本文利用数值仿真方法首先对锯齿状唇口入射激波/边界层干扰特性展开研究,在得到干扰特性规律的基础上进行不同锯齿状唇口的进气道模型设计和气动特性研究。首先给出锯齿状唇口的平板/斜楔简化模型的设计方法,并进行不同楔角下的流场结构对比分析。结果表明:基准模型与锯齿模型的平板壁面分离包高度与分离区面积均随楔角增大而增大:楔角从14°增大到20°,基准模型的分离包高度与分离区面积分别增大了95%与72%,而change3锯齿模型的分别增大了90%与80%;在同一楔角下,四种锯齿模型的分离包高度与分离区面积均比基准模型的小,在研究范围内,锯齿模型分离包高度与分离区面积较基准模型减小比率最高分别达5.85%与13.59%。锯齿型面分离包高度较基准模型的减小比率随楔角增大而增大,楔角从14°变化到20°,分离包高度减小比率由3.66%增大至5.85%。随着楔角增大,由于锯齿一侧的斜掠激波强度变大,锯齿模型的入射激波弯曲程度更加明显,且气流经过入射激波后与斜楔下壁面的偏折角度也更明显,但再附激波在横向(z方向)上的差别逐渐减小,强度逐渐趋于一致。选取12°楔角下某一锯齿模型与基准模型进行边界层厚度的影响研究,结果表明:基准模型与锯齿模型平板壁面上的分离区高度及面积均随边界层厚度增大而增大,但锯齿模型的分离区相对较小;另外,随着边界层厚度的增大,基准模型首先进入“不起动”状态,锯齿模型仍能保持流场稳定;当边界层厚度继续增大,两种模型均进入“不起动”状态。接着根据简化模型得到的影响规律,提出一种锯齿状唇口轴对称进气道的设计概念,并研究了典型状态下的流场特性。结果表明:原始进气道的自起动马赫数为Ma3.21,锯齿状唇口进气道的自起动马赫数均比原始进气道的低,最低达到Ma2.72;设计状态下,锯齿状唇口进气道不同截面上的肩部周向分离区大小不同,分离区形状与锯齿型面的形状类似,且分离区之间流动顺畅,分离区面积均比原始进气道的小,case3型面分离区面积减小比率达62.34%;高马赫数下锯齿状进气道的唇口分离区存在横向流动,且起始位置更靠后,唇口分离区跨度与分离区面积均比原始进气道的小,case3型面唇口的分离区面积比原始进气道的减小了49.16%。最后对比了典型状态下锯齿状唇口进气道与原始型面进气道的气动性能,结果表明:锯齿状唇口进气道通过牺牲一定的流量和减小分离区来降低进气道的自起动马赫数、提高喉道截面的总压恢复系数以及拓宽进气道工作马赫数范围。
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