基于回流通道被动控制的高超声速进气道

1.本发明涉及飞行器设计领域，尤其是一种应用于飞行器上的高超声速进气道。


背景技术：

2.高超声速进气道作为高超声速推进系统首当其冲的气动部件，其性能好坏将直接影响整个推进系统的性能。由于高超声速进气道大多采取混压式设计，这就不可避免的带来了起动、不起动问题。进气道能够保持正常稳定起动状态是高超声速推进系统正常工作的必要前提。在实际工作时，超燃冲压发动机的燃烧室会释放高压高温燃气，燃烧时产生的高压会直接作用到高超声速进气道出口，当压力超过一定限度后，会使得进气道从稳定工作状态失稳并触发喘振。喘振会使得进气道承受非常高的周期性载荷，进而导致进气道乃至飞行器结构的损毁。
3.目前对于高超声速进气道不起动喘振流态控制研究较少，主要依靠于改变进气道结构来进行流场控制：或改变进口整流罩长度，旋转角度，隔离段8长度等进行流场控制。或通过移动进气道唇口板来提高进气道的溢流进而缓解进气道下游的气流壅塞，以此来达到抑制喘振流态，改善进气道流场的目的。但在实际应用中可能会因为结构复杂，运行过程长等因素影响实际应用效果。而广泛使用的增设泄流缝的方法又会增大吸入流量的损失，使进气道无法为发动机提供充足的气流。
4.因此，需要一种新的技术方案以减弱进气道进入喘振工况后所承受的周期性载荷。


技术实现要素：

5.为了在保证进气道在巡航状态时拥有较高的的总压恢复系数，满足发动机对流量的要求，同时降低进气道进入喘振工况后的振荡幅值，本发明提供了一种被动式控制方案。
6.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
7.一种基于回流通道被动控制的高超声速进气道，包括进气道主体、进气道唇罩、在进气道主体和进气道唇罩之间形成的内通道，内通道划分为内收缩段和隔离段，内收缩段始端为进气道进口，内收缩段末端为进气道喉道，隔离段始端为进气道喉道并自进气道喉道向后延伸，该高超声速进气道还包括回流通道，所述回流通道设置于进气道主体内部，并位于隔离段8所在区域内；
8.回流通道包括回流通道进口、回流通道出口以及连接回流通道进口和回流通道出口的引流管路；所述引流管路位于进气道主体内，回流通道进口、回流通道出口分别将引流管路的两端与内通道连通；回流通道进口位于隔离段后半部，回流通道出口开设于隔离段前半部靠近进气道喉道处。
9.进一步的，回流通道进口、回流通道出口沿着所述隔离段流向的法向开设。
10.进一步的，所述回流通道出口的截面中心线与喉道之间的距离l1满足：
11.1l
th
≤l1≤2.5l
th
12.回流通道进口中心线与回流通道出口中心线之间的距离l2满足：
13.3l
th
≤l2≤5l
th
14.回流通道进口中心线与进气道出口之间的距离l3满足：
15.0.5l
th
≤l3≤1l
th
16.其中l
th
是进气道喉道高度。
17.进一步的，所述连接回流通道进口和回流通道出口的引流管路沿所述隔离段流向开设。
18.进一步的，所述引流管路是先收敛后扩张管道，其中引流管路高度ld满足ld≤0.5l
th
，
19.其中回流通道进口(9)宽度l
in
和回流通道出口(10)宽度l
out
满足
20.1ld《l
in
≤1.4ld21.1ld《l
out
≤1.4ld22.l
in
＝l
out
。
23.进一步的，引流管路与回流通道进口和回流通道出口之间通过倒圆角过渡，过渡段外侧倒圆角半径r1和内侧倒圆角半径r2满足：
24.0.7ld≤r2《r1≤2.5ld。
25.有益效果：本发明在保证进气道在巡航状态时拥有较高的总压恢复系数，相对较大的流量的同时，显著降低了进气道喘振时的压力脉动幅值，降低了进气道喘振频率，进而降低了进气道承受的周期性压力载荷，使得进气道处于喘振工况下的安全性有所提升。获得了较好的工程实际应用性能。
附图说明
26.图1是本发明超声速进气道结构示意图；
27.图2是本发明超声速进气道回流通道处流场结构示意图
28.图3是本发明超声速进气道回流通道结构示意图；
29.图4是现有技术中原型超声速进气道在节流比为时静压测点c2的压力脉动；
30.图5是现有技术中原型超声速进气道在节流比为时进气道的流量脉动；
31.图6是现有技术中原型超声速进气道在节流比为时流量脉动峰值处马赫数云图；
32.图7是本发明带有回流通道的超声速进气道在节流比为时静压测点c2的压力脉动；
33.图8是本发明带有回流通道的超声速进气道在节流比为时进气道的流量脉动；
34.图9是本发明带有回流通道的超声速进气道在节流比为时流量脉动峰值处马赫数云图。
具体实施方式
35.下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
36.本发明公开了一种基于回流通道被动控制的高超声速进气道。
37.参阅图1至图3所示，一种高超声速进气道包括进气道主体1、进气道唇罩2，在进气道主体1、进气道唇罩2之间形成的进气道内通道3，进气道内通道3始端为进气道进口4，末
端为进气道出口6。进气道内通道3可分为内收缩段7和隔离段8，其中，内收缩段7始端为进气道进口4，内收缩段7末端为进气道喉道5；隔离段8始端为进气道喉道5，末端为进气道出口6。该高超声速进气道还包括回流通道11，所述回流通道11设置于进气道主体1内部，并位于隔离段8所在区域内。回流通道11包括回流通道进口9、回流通道出口10以及连接回流通道进口9和回流通道出口10的引流管路；所述引流管路位于进气道主体1内，回流通道进口9、回流通道出口10分别将引流管路的两端与内通道3连通；回流通道进口9位于隔离段8后半部，回流通道出口10开设于隔离段8前半部靠近进气道喉道5处.
38.参照图4至图6所示，当进气道进入喘振工况后，结尾激波12沿流向在内通道3内往复振荡，会给进气道带来巨大的周期性启动载荷。进气道内质量流量在一个振荡周期内达到峰值标志着进气道结尾激波12后撤至喘振周期当中的最下游。强烈的激波/边界层干扰诱导生成了巨大的分离包13，该分离包13进一步堵塞流道，使得结尾激波12后反压快速上升，隔离段8内压力载荷进一步增加。不仅如此，由于该分离包13进一步增加了结尾激波12后的反压，结尾激波12难以在隔离段8内维持“准稳定”的情况——会很快被推出进气道，这导致进气道喘振频率相对较高。而较高的周期性载荷与较高的振荡频率对进气道安全性都有非常不利的影响。
39.因此，为了降低进气道进入喘振工况后的振荡幅值，降低振荡频率，本发明提出了一种设置于隔离段8段的回流通道11。其中，回流通道进口9设置于距离进气道出口0.5l
th
～l
th
的位置处，回流通道出口10设置于距离进气道喉道l
th
～2.5l
th
的位置处(即当结尾激波12能后撤达到的最下游的位置)，利用进气道尾部气流静压高于结尾激波12分离包13内气流的特点，将下游高压流引流至分离包13内，一方面通过降低结尾激波12后的背压进而降低再附压升，从而减小分离包13尺度，降低进气道内堵塞程度；另一方面，回流通道11内可以存在一部分高压低能流体，进一步减小分离包13尺度。基于此，可以降低振荡幅值以及振荡频率。
40.应用实例
41.方案介绍：
42.设计一个基准原型高超声速进气道和一个带回流通道11的控制的高超声速进气道，巡航状态马赫数6，内收缩比1.5，第一级压缩角为9
°
，第二级压缩角为10.8
°
，唇罩压缩角为6
°
，捕获高度100mm，进气道进口4高度24mm，进气道喉道5和进气道出口6高度均为16mm。并通过二维数值仿真对基准原型高超声速进气道和带回流通道11的控制的高超声速进气道进行对比分析。
43.参照图4至图6所示，当进气道进入喘振工况后，结尾激波12沿流向在内通道3内往复振荡，会给进气道带来巨大的周期性启动载荷。进气道内质量流量在一个振荡周期内达到峰值标志着进气道结尾激波12后撤至喘振周期当中的最下游。强烈的激波/边界层干扰诱导生成了巨大的分离包13，该分离包13进一步堵塞流道，使得结尾激波12后反压快速上升，隔离段8内压力载荷进一步增加。不仅如此，由于该分离包13进一步增加了结尾激波12后的反压，结尾激波12难以在隔离段8内维持“准稳定”的情况——会很快被推出进气道，这导致进气道喘振频率相对较高。
44.如图7至图9所示，经过本发明对原型进气道的改进，即带回流通道11的高超声速进气道，虽然同样会在相同的节流比下进入大喘工况，但是由于回流通道11将进气道尾部
的高压气流引入上游的分离包13当中，降低了结尾激波12后的背压，从而使得再附压升降低，分离包13尺度下降，隔离段8内堵塞度下降，进而使得下游背压也下降，从而降低进气道内的静压振荡幅值。此外，由于再附压升同比下降，分离包13尺度减小，其增长速度也减小，结尾激波12向上游移动的速度减缓，这使得结尾激波12在进气道内通道3内的时间变长，振荡频率降低。
45.如表1所示，本发明带回流通道11的高超声速进气道c2测点的静压脉动均方根值较基准原型高超声速进气道有较大下降，降幅达到39.41％。
46.表1原型高超声速进气道与本发明带回流通道11的高超声速进气道喘振特性对比
[0047][0048]
另外，本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，
[0049]
应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种基于回流通道被动控制的高超声速进气道，包括进气道主体(1)、进气道唇罩(2)、在进气道主体(1)和进气道唇罩(2)之间形成的内通道(3)，内通道(3)划分为内收缩段(7)和隔离段(8)，内收缩段(7)始端为进气道进口(4)，内收缩段(7)末端为进气道喉道(5)，隔离段(8)始端为进气道喉道(5)并自进气道喉道向后延伸，其特征在于：该高超声速进气道还包括回流通道(11)，所述回流通道(11)设置于进气道主体(1)内部，并位于隔离段(8)所在区域内；回流通道(11)包括回流通道进口(9)、回流通道出口(10)以及连接回流通道进口(9)和回流通道出口(10)的引流管路；所述引流管路位于进气道主体(1)内，回流通道进口(9)、回流通道出口(10)分别将引流管路的两端与内通道(3)连通；回流通道进口(9)位于隔离段(8)后半部，回流通道出口(10)开设于隔离段(8)前半部靠近进气道喉道(5)处。2.根据权利要求1所述的高超声速进气道，其特征在于：所述回流通道进口(9)、回流通道出口(10)沿着所述隔离段(8)流向的法向开设。3.根据权利要求1或2所述的高超声速进气道，其特征在于：所述回流通道出口(10)的截面中心线与喉道(5)之间的距离l1满足：1l
th
≤l1≤2.5l
th
回流通道进口(9)中心线与回流通道出口(10)中心线之间的距离l2满足：3l
th
≤l2≤5l
th
回流通道进口(9)中心线与进气道出口(6)之间的距离l3满足：0.5l
th
≤l3≤1l
th
其中l
th
是进气道喉道(5)高度。4.根据权利要求1所述的高超声速进气道，其特征在于：所述连接回流通道进口(9)和回流通道出口(10)的引流管路沿所述隔离段(8)流向开设。5.根据权利要求1或4所述的高超声速进气道，其特征在于：所述引流管路是先收敛后扩张管道，其中引流管路高度l
d
满足：l
d
≤0.5l
th
其中回流通道进口(9)宽度l
in
和回流通道出口(10)宽度l
out
满足：1l
d
<l
in
≤1.4l
d
1l
d
<l
out
≤1.4l
d
l
in
＝l
out
。6.根据权利要求5所述的高超声速进气道，其特征在于：引流管路与回流通道进口(9)和回流通道出口(10)之间通过倒圆角过渡，过渡段外侧倒圆角半径r1和内侧倒圆角半径r2满足：0.7l
d
≤r2<r1≤2.5l
d
。

技术总结
本发明公开了一种基于回流通道被动控制的高超声速进气道。在喘振状态下，通过在进气道隔离段处开设回流通道，可以减小分离包尺度并同时减缓分离包的发展，从而降低了进气道内静压脉动幅值，并降低了喘振频率。使得高超声速进气道在喘振状态下的所承受的周期性载荷降低，安全性增强。本发明结构简单，易于实现，经数值仿真验证后能够取得预期效果。经数值仿真验证后能够取得预期效果。经数值仿真验证后能够取得预期效果。


技术研发人员：谢文忠 王震宇 杨林林 王俊凯 许成龙 孙浩宇
受保护的技术使用者：南京航空航天大学
技术研发日：2023.03.02
技术公布日：2023/5/24