亚音速无人机S弯进气道优化设计及流动控制研究
发布时间：2021-07-07 17:16
S弯进气道不仅具备良好的隐身性能,而且结构紧凑,轴向距离较短,在以涡喷发动机为动力的无人机设计中具有至关重要的作用。S弯进气道大曲率的几何特征会造成出口流场畸变较大,使流出S弯进气道的气流均匀性变差,容易使发动机发生喘振等事故。因此,开展S弯进气道气动特性的优化研究具有重要意义。本文首先通过对S弯进气道的几何形状进行优化设计来提高进气道的气动特性,但仅通过外形优化设计对进气道气动特性的改善有限,还需考虑流动控制技术。考虑到一些以涡喷发动机为动力的无人机为了冷却发动机会在进气道出口段布置溢流孔,本文创造性地提出基于溢流孔的流动控制技术,以实现进气道出口截面气动特性的有效提高,并将其应用于工程实际中。本文具体工作如下:（1）本文首先对某亚音速S弯进气道的几何形状进行了优化设计。搭建了基于NSGA-II优化算法的S弯进气道全自动多目标优化平台。利用搭建的优化平台,开展了S弯进气道的全自动优化设计,并最终得到优化结果。通过对优化前后进气道的气动性能进行对比分析发现,在设计马赫数时总压恢复系数PR略有提高,总压畸变改善明显,相比下降54%。本文进一步对比分析了优化前后的进气道在不同来流马赫数下的...
【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：83 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
应用S弯进气道的
浙江大学硕士学位论文1绪论11绪论1.1研究背景近十年来，无人机一直是国际航空科技领域最活跃和最重要的发展方向之一，尤其是在军用领域，无人机已经从传统的战场辅助装备逐步发展为不可或缺的主战装备，在近年来的历次局部战争中发挥出不可替代的作用。其中，以喷气发动机为动力的亚音速无人机更是各国家发展的重点。对无人机而言，动力系统是其“心脏”，决定着无人机的关键性能与飞行品质。而以喷气发动机为动力的亚音速无人机一般需要通过进气道为其引气，可见进气道是动力系统的“气管”，是飞发匹配的重要组成部分，进气系统性能的优劣对无人机整体性能影响重大。进气系统处于动力子系统的最上游，进气道不仅需要为发动机提供所需的流量，而且要保证气流的品级，满足发动机进口对流场均匀性的要求。进气道一般分为亚声速进气道、超声速进气道和高超声速进气道,其中亚声速进气道应用最为广泛。亚声速进气道是工作状态在亚声速范围内的进气道，亚声速进气道的内管道设计技术也是设计超声速进气道的基矗常见的亚声速进气道有皮托式、S形、蛇形等。皮托式进气道主要应用于民用飞机，S形、蛇形进气道常用于各种无人机及巡航导弹中。(a)枭龙战机(b)云影无人机图1.1应用S弯进气道的枭龙战机、云影无人机近年来，隐身性能成为大多数军用无人机设计时需要考虑的一个重要因素。由此，具备良好隐身性能的S弯进气道更加受到重视。另外，对于无人机总体设计而言，无人机的总体布置、质量、成本等都和进气道的设计有关。S弯进气道结构紧凑，轴向距离较短，尺寸较小[1]，因此可以有效减少飞机的总重并降低油
浙江大学硕士学位论文1绪论2耗。S弯进气道因其优良的隐身特性与紧凑的结构已被广泛应用于先进战机与无人机，如图1.1枭龙战机、云影无人机等。S弯进气道通过管道沿程横截面积的变化对气流起到减速增压的作用，本质上相当于一个扩压器。S弯进气道有其独特的流场结构，2017年宁乐[2]等对S弯进气道的内部流场进行了数值模拟，发现S弯进气道内部会产生逆主流方向的流动，这是因为进气道内部横截面不断扩大产生了逆压梯度。从图1.2给出的上下壁面静压分布图可以看到，对于上壁面来说，在第一个弯处气流压强先上升后下降，在第二个弯处气流压强先下降后上升，下壁面的压强分布正好与上壁面相反。在第一弯处，由于顶部压强高于底部，会出现由顶部向底部的二次涡流，在第一弯处下壁面附面层增厚较少，但进入第二弯后，由于逆压梯度的作用，下壁面附面层迅速增厚形成了一对涡，虽然附面层受到周向压力梯度的作用有由底部移向顶部的趋势，但由于压力梯度不大，附面层仍然按原来的方向移动（如图1.3所示）。在S弯进气道出口截面可以看到底部有一个向上拱起的低能区，并且有一对反向旋转的涡（如图1.4所示）。图1.2S弯进气道上下壁面静压分布图[2]图1.3S弯进气道内部流场总压恢复云图及流线图[2]
【参考文献】：
期刊论文
[1]有无边界层吸入对S弯进气道流动特性的影响[J]. 宁乐,谭慧俊,孙姝. 推进技术. 2017(02)
[2]响应面法在试验设计与优化中的应用[J]. 李莉,张赛,何强,胡学斌. 实验室研究与探索. 2015(08)
[3]S型进气道隐身与气动综合特性数值分析[J]. 黄浩然,王宏伟. 航空计算技术. 2015(02)
[4]半埋入式S弯进气道设计及其优化[J]. 刘雷,宋彦萍,陈焕龙,陈浮,崔可. 推进技术. 2014(10)
[5]半埋入式S弯进气道主动流动控制研究[J]. 刘雷,陈浮,宋彦萍,陈焕龙. 推进技术. 2014(09)
[6]合成射流改善S形进气道流场特性的研究[J]. 陈占军,王晋军. 中国科学:技术科学. 2012(09)
[7]S弯扩压器中四种湍流模型的比较[J]. 张丽芬,刘振侠,吕亚国. 航空动力学报. 2008(10)
[8]蛇形进气道地面工作状态附面层抽吸试验研究[J]. 靖建朋,郭荣伟. 南京航空航天大学学报. 2007(01)
[9]进口导流叶片对S弯进气道出口旋流的抑制研究[J]. 郭荣伟,梁德旺,陈贻忠. 空气动力学学报. 1996(02)
[10]S弯进气道内旋流的有源涡控研究[J]. 林麒,郭荣伟. 航空学报. 1989(01)
硕士论文
[1]两种不同进口形状的背负式S弯进气道的气动特性对比研究[D]. 贾煊.华中科技大学 2011
[2]半埋入式S弯进气道优化设计及主动流动控制技术研究[D]. 桑振坤.哈尔滨工业大学 2010
[3]亚音速进气道的优化设计[D]. 康磊.哈尔滨工业大学 2009
本文编号：3270037
【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：83 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
应用S弯进气道的
浙江大学硕士学位论文1绪论11绪论1.1研究背景近十年来，无人机一直是国际航空科技领域最活跃和最重要的发展方向之一，尤其是在军用领域，无人机已经从传统的战场辅助装备逐步发展为不可或缺的主战装备，在近年来的历次局部战争中发挥出不可替代的作用。其中，以喷气发动机为动力的亚音速无人机更是各国家发展的重点。对无人机而言，动力系统是其“心脏”，决定着无人机的关键性能与飞行品质。而以喷气发动机为动力的亚音速无人机一般需要通过进气道为其引气，可见进气道是动力系统的“气管”，是飞发匹配的重要组成部分，进气系统性能的优劣对无人机整体性能影响重大。进气系统处于动力子系统的最上游，进气道不仅需要为发动机提供所需的流量，而且要保证气流的品级，满足发动机进口对流场均匀性的要求。进气道一般分为亚声速进气道、超声速进气道和高超声速进气道,其中亚声速进气道应用最为广泛。亚声速进气道是工作状态在亚声速范围内的进气道，亚声速进气道的内管道设计技术也是设计超声速进气道的基矗常见的亚声速进气道有皮托式、S形、蛇形等。皮托式进气道主要应用于民用飞机，S形、蛇形进气道常用于各种无人机及巡航导弹中。(a)枭龙战机(b)云影无人机图1.1应用S弯进气道的枭龙战机、云影无人机近年来，隐身性能成为大多数军用无人机设计时需要考虑的一个重要因素。由此，具备良好隐身性能的S弯进气道更加受到重视。另外，对于无人机总体设计而言，无人机的总体布置、质量、成本等都和进气道的设计有关。S弯进气道结构紧凑，轴向距离较短，尺寸较小[1]，因此可以有效减少飞机的总重并降低油
浙江大学硕士学位论文1绪论2耗。S弯进气道因其优良的隐身特性与紧凑的结构已被广泛应用于先进战机与无人机，如图1.1枭龙战机、云影无人机等。S弯进气道通过管道沿程横截面积的变化对气流起到减速增压的作用，本质上相当于一个扩压器。S弯进气道有其独特的流场结构，2017年宁乐[2]等对S弯进气道的内部流场进行了数值模拟，发现S弯进气道内部会产生逆主流方向的流动，这是因为进气道内部横截面不断扩大产生了逆压梯度。从图1.2给出的上下壁面静压分布图可以看到，对于上壁面来说，在第一个弯处气流压强先上升后下降，在第二个弯处气流压强先下降后上升，下壁面的压强分布正好与上壁面相反。在第一弯处，由于顶部压强高于底部，会出现由顶部向底部的二次涡流，在第一弯处下壁面附面层增厚较少，但进入第二弯后，由于逆压梯度的作用，下壁面附面层迅速增厚形成了一对涡，虽然附面层受到周向压力梯度的作用有由底部移向顶部的趋势，但由于压力梯度不大，附面层仍然按原来的方向移动（如图1.3所示）。在S弯进气道出口截面可以看到底部有一个向上拱起的低能区，并且有一对反向旋转的涡（如图1.4所示）。图1.2S弯进气道上下壁面静压分布图[2]图1.3S弯进气道内部流场总压恢复云图及流线图[2]
【参考文献】：
期刊论文
[1]有无边界层吸入对S弯进气道流动特性的影响[J]. 宁乐,谭慧俊,孙姝. 推进技术. 2017(02)
[2]响应面法在试验设计与优化中的应用[J]. 李莉,张赛,何强,胡学斌. 实验室研究与探索. 2015(08)
[3]S型进气道隐身与气动综合特性数值分析[J]. 黄浩然,王宏伟. 航空计算技术. 2015(02)
[4]半埋入式S弯进气道设计及其优化[J]. 刘雷,宋彦萍,陈焕龙,陈浮,崔可. 推进技术. 2014(10)
[5]半埋入式S弯进气道主动流动控制研究[J]. 刘雷,陈浮,宋彦萍,陈焕龙. 推进技术. 2014(09)
[6]合成射流改善S形进气道流场特性的研究[J]. 陈占军,王晋军. 中国科学:技术科学. 2012(09)
[7]S弯扩压器中四种湍流模型的比较[J]. 张丽芬,刘振侠,吕亚国. 航空动力学报. 2008(10)
[8]蛇形进气道地面工作状态附面层抽吸试验研究[J]. 靖建朋,郭荣伟. 南京航空航天大学学报. 2007(01)
[9]进口导流叶片对S弯进气道出口旋流的抑制研究[J]. 郭荣伟,梁德旺,陈贻忠. 空气动力学学报. 1996(02)
[10]S弯进气道内旋流的有源涡控研究[J]. 林麒,郭荣伟. 航空学报. 1989(01)
硕士论文
[1]两种不同进口形状的背负式S弯进气道的气动特性对比研究[D]. 贾煊.华中科技大学 2011
[2]半埋入式S弯进气道优化设计及主动流动控制技术研究[D]. 桑振坤.哈尔滨工业大学 2010
[3]亚音速进气道的优化设计[D]. 康磊.哈尔滨工业大学 2009
本文编号：3270037
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