一种进气道及其纵向导流板设计方法与流程

1.本发明涉及飞行器技术领域，更具体地说，涉及一种纵向导流板设计方法。此外，本发明还涉及一种应用上述纵向导流板设计方法的进气道。


背景技术：

2.常规s弯进气道的出口气流方向与径向进气发动机不匹配，为满足下游发动机的径向进气需求，需要将进气道调整为呈z型、带集气装置的进气道，进气道后段存在大角度转折，且进气道末端与集气装置相连。此进气道虽然能够满足径向进气需求，但进气道与集气装置的交界面面积较大，导致进气道后半段第一次转折处气流流道扩张比偏大，进气道两侧壁面的气流分离严重，形成了局部乱流，横向移动至对称面主流区的分离泡会耗散主流能量，导致进气道对称面的气流下洗作用变弱，影响进入集气装置的气流均匀性。
3.进入集气装置后，进气道两侧壁面附近的乱流在惯性作用下旋流强度进一步增强，导致aip面(aerodynamic interface plane，进气道/发动机气动交界面)气流偏离轴线集中向上流动，导致aip面气流分布严重不均，极可能导致发动机叶片处的气流分离，极大地影响了发动机效率，严重时还可能导致发动机喘振。
4.综上所述，如何抑制进气道两侧乱流向对称面主流区的横向流动，是目前本领域技术人员亟待解决的问题。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明的目的是提供一种纵向导流板设计方法，在进气道内增设至少两块纵向导流板，利用纵向导流板抑制对称面两侧大型涡流的产生，增强了aip面的流场均匀性。
6.此外，本发明还提供了一种应用上述纵向导流板设计方法的进气道。
7.为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
8.一种纵向导流板设计方法，包括：
9.步骤s1，对进气道的基准方案进行数值仿真计算，获取进气道内部流场数据；
10.步骤s2，根据所述进气道内部流场数据确定至少两块纵向导流板的前缘起始位置点；
11.步骤s3，确定所述纵向导流板的板间张角，控制进气道后段相对靠近进气道对称面的流道的面积扩张比小于1.6；
12.步骤s4，确定所述纵向导流板的左、右侧型面，使进气道后段相对靠近进气道对称面的流道符合缓急相当的面积扩张规律、相对靠近进气道壁面的流道符合先缓后急的面积扩张规律；
13.步骤s5，根据所述进气道内部流场数据确定所述纵向导流板的后缘位置点和厚度；
14.步骤s6，对设有所述纵向导流板的进气道进行数值仿真计算，获取导流板方案的
进气道内部流场数据；
15.步骤s7，根据所述导流板方案的进气道内部流场数据计算aip面旋流强度指数η，当所述aip面旋流强度指数η大于预设aip面旋流强度指数η0时，重复步骤s2-s6，
16.其中，α2为aip面上各点的当地旋流角，为aip面上旋流角的绝对值大于15
°
的面积，a
aip
为aip的面积。
17.优选的，所述纵向导流板关于所述进气道的对称面对称设置。
18.优选的，所述纵向导流板的数量为两块，两块所述纵向导流板之间的中间流道符合缓急相当的面积扩张规律，所述纵向导流板与所述进气道的壁面形成的外侧流道符合先缓后急的面积扩张规律。
19.优选的，所述纵向导流板的前缘的左、右侧型面的起始角度与当地气流流动方向的夹角小于或等于10
°
。
20.一种进气道，应用上述任一项所述的纵向导流板的设计方法，包括进气道和设于所述进气道后段的纵向导流板。
21.优选的，所述纵向导流板包括等厚型、厚薄型、薄厚型、薄厚薄型和翼型。
22.本发明提供的纵向导流板设计方法，首先对进气道的基准方案进行数值仿真计算，获取进气道内部流场数据；
23.然后，根据进气道内部流场数据确定至少两块纵向导流板的前缘位置点，利用纵向导流板阻挡进气道左、右两侧壁面的低能乱流向对称面主流的横向流动；
24.确定纵向导流板的板间张角，控制进气道后段相对靠近进气道对称面的流道的面积扩张比小于1.6，以降低对称面主流所在流道的面积扩张比、抑制对称面主流的气流分离；
25.确定纵向导流板的左、右侧型面，使进气道后段相对靠近进气道对称面的流道符合缓急相当的面积扩张规律、相对靠近进气道壁面的流道符合先缓后急的面积扩张规律，抑制对称面两侧大型涡流的产生，降低涡流对对称面主流的能量耗散，以增强对称面主流的下洗作用；
26.根据进气道内部流场数据确定纵向导流板的后缘位置点和厚度，使纵向导流板可有效阻挡进气道转折处附近区域近壁面乱流向对称面主流的横向流动；
27.而后，根据纵向导流板的前缘起始位置点、板间张角、左右侧型面、后缘位置点和厚度，对设有纵向导流板的进气道进行数值仿真计算，获取导流板方案下的进气道内部流场数据；
28.最后，根据导流板方案的进气道内部流场数据计算aip面的旋流强度指数η，以此判断纵向导流板是否满足设计要求，若不满足要求则对纵向导流板的设计参数进行迭代计算。
29.本发明提供的纵向导流板设计方法，在进气道增设至少两块纵向导流板，纵向导流板阻挡了进气道左、右两侧壁面的低能乱流向对称面主流横向流动，抑制了对称面两侧大型涡流的产生，增强了对称面主流的气流下洗作用，有效地改善了aip面的流场均匀性。
30.同时，增设纵向导流板，能够降低进气道后段各流道的面积扩张比，进而减小进气道转折处对称面主流的逆压力梯度，有利于抑制进气道中间流道的气流分流、改善aip面的
流场均匀性。
31.此外，本发明还提供了一种应用上述纵向导流板设计方法的进气道。
附图说明
32.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
33.图1为本发明所提供的纵向导流板设计方法的流程示意图；
34.图2为进气道基准方案的对称面流线图；
35.图3为纵向导流板方案的对称面流线图；
36.图4为本发明所提供的进气道的具体实施例的结构示意图；
37.图5为纵向导流板的结构示意图；
38.图6为纵向导流板的安装示意图。
39.图1-图6中：
40.1为进气道、2为纵向导流板、21为耳片、3为密封板、4为角片。
具体实施方式
41.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
42.本发明的核心是提供一种纵向导流板设计方法，在进气道增设至少两块纵向导流板，利用纵向导流板抑制对称面两侧大型涡流的产生，增强了aip面的流场均匀性。
43.此外，本发明还提供了一种应用上述纵向导流板设计方法的进气道。
44.需要进行说明的是，本技术文件中的纵向导流板2的左、右型面指纵向导流板2沿进气道1的气流流动方向的两侧型面。
45.请参考图1-图6，图1为本发明所提供的纵向导流板设计方法的流程示意图；图2为进气道基准方案的对称面流线图；图3为纵向导流板方案的对称面流线图；图4为本发明所提供的进气道的具体实施例的结构示意图；图5为纵向导流板的结构示意图；图6为纵向导流板的安装示意图。
46.本发明提供的纵向导流板设计方法，包括：
47.步骤s1，对进气道1的基准方案进行数值仿真计算，获取进气道内部流场数据；
48.步骤s2，根据进气道内部流场数据确定至少两块纵向导流板2的前缘起始位置点；
49.步骤s3，确定纵向导流板2的板间张角，控制进气道1后段相对靠近进气道对称面的流道的面积扩张比小于1.6；
50.步骤s4，确定纵向导流板2的左、右侧型面，使进气道1后段相对靠近进气道对称面的流道符合缓急相当的面积扩张规律、相对靠近进气道壁面的流道符合先缓后急的面积扩张规律；
51.步骤s5，根据进气道内部流场数据确定纵向导流板2的后缘位置点和厚度；
52.步骤s6，对设有纵向导流板2的进气道1进行数值仿真计算，获取导流板方案的进气道内部流场数据；
53.步骤s7，根据导流板方案的进气道内部流场数据计算aip面旋流强度指数η，当aip面旋流强度指数η大于预设aip面旋流强度指数η0时，重复步骤s2-s6，
54.其中，α2为aip面上各点的当地旋流角，为aip面上旋流角的绝对值大于15
°
的面积，a
aip
为aip的面积。
55.需要对步骤s1进行说明的是，进气道1的基准方案包括进气道1的流道形状和尺寸，以便通过常见的数值模拟软件对基准方案进行数值仿真计算，获取基准方案下的进气道内部流场数据。
56.基准方案的进气道内部流场数据既可以是三维流场图，也可以是图2、图3所示的对称面流线图，还可以是涡量数据、速度分布数据、压力分布数据等。
57.需要对步骤s2进行说明的是，为了有效地抑制进气道1两侧壁面的涡流向进气道对称面的横向流动，纵向导流板2的数量至少设置为两块，且至少有两块纵向导流板2不位于进气道对称面内。
58.为了抑制流道内的气流分离现象，纵向导流板2的前缘起始位置点应当位于进气道内部流场的气流分离起始位置点前方。
59.同时，为了避免纵向导流板2过长，纵向导流板2的前缘起始位置点距气流分离起始位置点越近越好。
60.需要对步骤s3进行说明的是，至少两个纵向导流板2可将进气道1的后段分隔为多个流道，为了改善aip面流场畸变、提高流场均匀性，通常控制进气道1后段相对靠近进气道对称面的流道，也即主流流道的面积扩张比小于1.6，以限制气流的逆压力梯度、抑制气流分离现象。
61.进气道1后端相对靠近进气道壁面的流道的面积扩张比的最大值既可以控制为1.6，也可以根据实际进气道1的基准方案适当放大，其具体取值根据实际情况确定，在此不再赘述。
62.为了方便纵向导流板2板间张角的确定，优选的，可以设置纵向导流板2关于进气道1的对称面对称设置，使得纵向导流板2呈八字形分布于进气道1内，能够在一定程度上减小进气道1的中间流道的面积扩张比，抑制对称面主流的气流分离现象。
63.需要对步骤s4进行说明的是，为防止气流入射角过大导致气流分离，纵向导流板2的型面设计应尽可能顺应当地气流方向，通常控制纵向导流板2的前缘的左、右侧型面起始角度与当地气流流动方向的夹角小于或等于10
°
。
64.纵向导流板2的设置，使得进气道1的后段被分隔为多个流道，气流主要在相对靠近进气道对称面的流道内流动。因此，为了控制对称面主流的流动分离，通常控制相对靠近进气道对称面的流道符合缓急相当的面积扩张规律、相对靠近进气道两侧壁面的流道符合先缓后急的面积扩张规律。
65.当纵向导流板2的数量为两块时，控制两块纵向导流板2之间的中间流道符合缓急相当的面积扩张规律，纵向导流板2与进气道1的内壁面形成的外侧流道符合先缓后急的面
积扩张规律；
66.当纵向导流板2的数量为三块时，位于中间的纵向导流板2设于进气道对称面上，控制位于进气道对称面两侧的两中间流道符合缓急相当的面积扩张规律，两个位于外侧两纵向导流板2与进气道壁面之间的外侧流道符合先缓后急的面积扩张规律。
67.考虑到纵向导流板2对进气道1强度和装配的影响等问题，通常设置纵向导流板2的数量为两块。
68.需要对步骤s5进行说明的是，纵向导流板2的后缘位置点位于进气道和集气装置的交界面的前方，纵向导流板2的厚度则需要考虑工程实现难度和尾迹流影响确定。
69.纵向导流板2的后缘位置点距进气道和集气装置的交界面的距离越近，各流道的气流掺混损失以及纵向导流板2后缘的尾迹流影响越小，越有利于纵向导流板2阻挡进气道1左、右壁面的涡流向对称面的横向流动；
70.但纵向导流板2的后缘位置点距进气道和集气装置的交界面的距离越近，纵向导流板2的安装难度越大，因此需要综合考虑安装难度和流动损失确定纵向导流板2的后缘位置点。
71.需要对步骤s6进行说明的是，依据步骤s2-s5获取的纵向导流板2的前后缘位置、张角、厚度以及左右侧型面等设计参数，对进气道1的纵向导流板方案进行数值模拟计算，获取导流板方案的进气道内部流场数据。
72.由于aip面当地旋流角α2的计算需要当地气流速度，因此导流板方案的进气道内部流场数据应当包括气流流速数据。
73.此外，还可以通过数值模拟计算获取对应的进气道内部流线图，利用aip面的气流分布状态定性判断增设的纵向导流板2对aip面流场均匀性的改善程度。
74.需要对步骤s7进行说明的是，预设aip面旋流强度指数η0则由发动机设计的进气旋流角要求等确定，据此判断是否需要对纵向导流板2的设计参数进行迭代计算。
75.aip面的当地旋流角α2＝arctan(v
θ
/vy),
76.其中，v
θ
为aip面的气流切向速度，vy为垂直aip面的气流轴向速度。
77.考虑到aip面与集气装置内部的导流叶片距离较近，截面上同时存在边界层和尾迹流，气流流动方向较乱，当地旋流角α2无法准确表征aip面的旋流强度，利用当地旋流角绝对值超过15
°
的面积占比η作为aip面旋流强度指数。
78.在本实施例中，在进气道1增设至少两块纵向导流板2，纵向导流板2阻挡了进气道1左、右两侧壁面的低能乱流向对称面主流横向流动，抑制了对称面两侧大型涡流的产生，增强了对称面主流的气流下洗作用，有效地改善了aip面的流场均匀性。
79.同时，增设纵向导流板2，能够降低进气道1后段各流道的面积扩张比，进而减小进气道转折处对称面主流的逆压力梯度，有利于抑制进气道中间流道的气流分流、改善aip面的流场均匀性。
80.在某一具体实施例中，进气道1在基准方案下的对称面流线图如图2所示，aip面最大旋流角α
2，max
为35
°
，aip面旋流强度指数η为30％；增设纵向导流板2的纵向导流板方案的对称面流线图如图3所示，aip面最大旋流角α
2，max
为28
°
，aip面旋流强度指数η为15％，极大地改善了aip面的流场均匀性，满足了发动机的进气旋流要求。
81.除了上述纵向导流板设计方法，本发明还提供一种应用上述实施例公开的纵向导
流板设计方法的进气道，该进气道包括进气道1和设于进气道1后段的纵向导流板2，进气道1的其他各部分的结构请参考现有技术，本文不再赘述。
82.纵向导流板2的横截面形状不唯一，根据导流板前缘到导流板厚缘的厚度，纵向导流板2具体可以设置为等厚型、厚薄型、薄厚型、薄厚薄型、翼型等，只要其aip面旋流强度指数η满足发动机的进气旋流要求即可；
83.纵向导流板2的材质则根据实际生产的需要参考现有技术确定，在此不再赘述。
84.有关纵向导流板2与进气道1的连接方式，可以将进气道1与纵向导流板2设置为一体结构，通过整体3d打印制造；也可以将二者单独设计制造后再连接，其具体连接方式包括胶接、焊接、螺栓连接等。
85.请参考图5和图6，纵向导流板2的四角处均设有耳片21，纵向导流板2插入进气道1的导流板安装槽内；进气道1的外侧设有相应的密封板3，以防止进气道1漏气；密封板3和纵向导流板2通过角片4固定连接，以防止纵向导流板2脱落。
86.密封板3和角片4的材质、结构和尺寸等根据实际生产的需要参考现有技术确定，在此不再赘述。
87.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
88.以上对本发明所提供的进气道及其纵向导流板设计方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。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，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

技术特征：
1.一种纵向导流板设计方法，其特征在于，包括：步骤s1，对进气道的基准方案进行数值仿真计算，获取进气道内部流场数据；步骤s2，根据所述进气道内部流场数据确定至少两块纵向导流板的前缘起始位置点；步骤s3，确定所述纵向导流板的板间张角，控制进气道后段相对靠近进气道对称面的流道的面积扩张比小于1.6；步骤s4，确定所述纵向导流板的左、右侧型面，使进气道后段相对靠近进气道对称面的流道符合缓急相当的面积扩张规律、相对靠近进气道壁面的流道符合先缓后急的面积扩张规律；步骤s5，根据所述进气道内部流场数据确定所述纵向导流板的后缘位置点和厚度；步骤s6，对设有所述纵向导流板的进气道进行数值仿真计算，获取导流板方案的进气道内部流场数据；步骤s7，根据所述导流板方案的进气道内部流场数据计算aip面旋流强度指数η，当所述aip面旋流强度指数η大于预设aip面旋流强度指数η0时，重复步骤s2-s6，其中，α2为aip面上各点的当地旋流角，为aip面上旋流角的绝对值大于15
°
的面积，a
aip
为aip的面积。2.根据权利要求1所述的纵向导流板设计方法，其特征在于，所述纵向导流板关于所述进气道的对称面对称设置。3.根据权利要求2所述的纵向导流板设计方法，其特征在于，所述纵向导流板的数量为两块，两块所述纵向导流板之间的中间流道符合缓急相当的面积扩张规律，所述纵向导流板与所述进气道的壁面形成的外侧流道符合先缓后急的面积扩张规律。4.根据权利要求1-3任一项所述的纵向导流板设计方法，其特征在于，所述纵向导流板的前缘的左、右侧型面的起始角度与当地气流流动方向的夹角小于或等于10
°
。5.一种进气道，应用权利要求1-4任一项所述的纵向导流板的设计方法，其特征在于，包括进气道和设于所述进气道后段的纵向导流板。6.根据权利要求5所述的进气道，其特征在于，所述纵向导流板包括等厚型、厚薄型、薄厚型、薄厚薄型和翼型。

技术总结
本发明涉及飞行器技术领域，公开了一种进气道及其纵向导流板设计方法，纵向导流板设计方法包括：对进气道的基准方案进行数值仿真计算，获取进气道内部流场数据；确定至少两块纵向导流板的前缘起始位置点、板件张角、左右侧型面、后缘位置点以及厚度参数；对设有纵向导流板的进气道进行数值仿真计算，获取导流板方案进气道内部流场数据；根据导流板方案进气道内部流场数据计算AIP面旋流强度指数η，当AIP面旋流强度指数η大于预设AIP面旋流强度指数η0时，对纵向导流板的参数进行迭代计算。上述纵向导流板设计方法，在进气道增设至少两块纵向导流板，利用纵向导流板抑制进气道对称面两侧大型涡流的产生，增强了AIP面的流场均匀性。增强了AIP面的流场均匀性。增强了AIP面的流场均匀性。


技术研发人员：柯玉祥 李东坡 张勇 高建力 王一 张悦
受保护的技术使用者：中航(成都)无人机系统股份有限公司
技术研发日：2023.03.30
技术公布日：2023/7/21