飞翼布局耦合进排气的气动与隐身综合设计研究

发布时间：2017-08-31 04:34

  本文关键词：飞翼布局耦合进排气的气动与隐身综合设计研究

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【摘要】：进排气系统气动性能的好坏直接影响着发动机的工作,且其布局方式也将直接影响飞行器整体气动性能;同时,进排气系统作为一种电大尺寸凹腔结构是飞行器前向和后向的主要电磁散射源之一,其形成的雷达散射截面(Radar Cross Section,RCS)对飞行器整体RCS贡献较大,极大地影响飞行器生存能力。因此,如何设计合理的进排气系统布局方式以满足飞行器具有良好的气动和隐身性能是现代隐身飞行器研究重点之一。本文以大展弦比双发飞翼布局为背景,开展了飞翼布局耦合进排气的气动与隐身综合设计研究,研究工作主要包括以下几方面:(1)开展了基于三维可压缩N-S方程的气动数值模拟方法和几种用于电磁散射特性计算的数值方法研究。首先,基于有限体积法,开展了采用Roe格式空间离散格式、隐式LU-SGS时间推进方法、多种边界条件的气动数值模拟方法研究;其次,开展了基于多层快速多极子(MLFMM)、物理光学法(PO)以及射线弹跳法(SBR)的电磁散射特性数值计算方法研究,并研究了其计算机理、计算精度和适用范围。最后,分别通过实验与数值计算对比,验证了所建立的气动和电磁散射特性数值计算方法是可靠的。(2)为了解决气动与隐身性能俱佳的设计问题,开展了飞翼布局气动与隐身综合设计研究,并提出了一种气动和隐身性能俱佳的类“鹰嘴”形前缘设计(减小翼型前缘半径),将其作为保形进排气系统设计的基础。研究主要针对大展弦比飞翼布局大鼓包式机身展开,分别基于隐身反设计和基于装载布置设计开展了飞翼布局设计研究,然后针对不同雷达频率下大展弦比飞翼布局呈现不同电尺寸特性,开展了相应的RCS预估方法研究,并通过某飞翼布局缩比模型的隐身测试进行了数值方法的验证。(3)为了解决耦合进排气系统下飞翼布局仍能获取良好气动和隐身性能的问题,提出了一种飞机/进排气系统一体化保形设计思想,并在保持双发飞翼布局整体流线型的气动布局下开展了保形进排气系统外形一体化设计。首先,基于常规进气道设计准则,结合超椭圆方程,开展了S弯进气道设计方法研究,并通过对规则形状(长方形进气口转圆形出口)S弯进气道设计进行了设计方法初步验证,共构建了5种不同中心线和截面积变化规律进气道。其次,基于所构建的S弯进气道设计方法,开展了双发飞翼布局保形进气道设计。最后,综合考虑气动、电磁隐身和红外隐身三者的相容性,开展了较大宽高比的飞翼布局保形非对称尾喷管设计。(4)为了获取更好的气动性能和更高的推进效率,针对双发飞翼布局耦合保形进排气系统开展了气动设计及优化研究。首先,基于推阻平衡原则和等熵流动假设,开展了飞翼布局进排气系统动力数值模拟方法研究,通过引入压力边界条件来模拟发动机进排气效应,并结合推阻平衡原则进行动力参数调节,然后分别通过保形进气道和膨胀尾喷管计算与实验结果对比,验证了模拟发动机进排气压力边界条件的有效性。其次,基于所建立的动力数值模拟方法,分别开展了双发飞翼布局保形进气道和保形尾喷管气动特性分析及设计研究。然后,基于保形圆矩形尾喷管开展了一种新型推力矢量控制方式研究,即尾喷管燃气舵的概念设计。为了进一步提升保形进排气系统的内流特性,还开展了保形非对称S弯进气道设计及优化研究,提出了一种新的中心线和截面积变化规律的进气道参数化方法,并采用无限插值变形技术(TFI),且引入样本更新和多轮优化的思想构建优化体系。最后,为了进一步提升飞翼布局耦合进排气系统时全机气动性能,开展了基于自由变形(FFD)方法的多鼓包减阻设计及优化研究。(5)基于双发飞翼保形进排气系统开展了电磁散射特性计算分析及设计研究,并针对不同电尺寸腔体目标构建了一套有效的电磁散射特性数值计算方法。首先,开展了腔体隐身数值计算方法研究,并通过进口斜切45°进气道腔体隐身实验进行了验证。其次,构建了与无人机保形进气道尺寸相同(进、出口截面面积相同)的方转圆规则形状S弯进气道,基于MLFMM方法开展了中心线和截面积变化规律对进气道电磁散射特性影响研究,并分析了其散射机理。然后,结合全尺寸大展弦比飞翼布局耦合保形进排气系统,基于SBR方法开展了不同进口形状进气道和不同面积比非对称喷管电磁散射特性影响及设计研究,并通过飞翼布局耦合矩形进气道隐身实验对比,进一步验证仿真算法的有效性。(6)基于双发飞翼布局耦合保形进排气系统时前向区域散射明显增强,首次系统地开展了保形进口格栅气动与隐身综合设计研究,并针对复杂进口格栅构建了一套有效的气动和电磁散射特性数值计算方法。首先,基于相关的工程应用实例,提炼出进口格栅设计原理及准则,在此基础上构建并制作了斜切45°规则进口格栅耦合直腔体模型,并基于MLFMM算法开展了格栅电磁散射特性数值计算与实验的对比验证。其次,开展了格栅典型特征几何参数如格栅孔间距、格栅倾角及格栅厚度等对格栅电磁散射特性影响研究,还研究了不同频率和不同极化方式下格栅电磁散射特性。然后,基于优化后保形非对称S弯进气道,开展了飞翼布局保形进口格栅设计及电磁散射特性研究,且制作了飞翼布局耦合保形进口格栅缩比模型并进行了隐身实验,进一步验证了所建立的格栅电磁散射特性数值计算方法是可靠的。最后,开展了飞翼布局耦合保形进口格栅内外流一体化气动特性研究,考虑到保形进口格栅形状变化复杂,提出了基于混合网格的气动计算方法,并进行了不同孔间距格栅对机体内外流气动特性影响研究。
【关键词】：飞翼布局无人机 进排气系统 保形 一体化设计 S弯进气道 非对称尾喷管 动力数值模拟 进口格栅
【学位授予单位】：西北工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V279
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-13
• 第1章 绪论13-29
• 1.1 研究背景及意义13-18
• 1.1.1 飞翼布局的发展及特点13-16
• 1.1.2 耦合进排气系统的气动与隐身综合设计16-18
• 1.2 国内外研究现状18-25
• 1.2.1 进排气系统设计方法18-21
• 1.2.2 进排气系统气动特性研究21-23
• 1.2.3 进排气系统电磁散射特性计算方法研究23-25
• 1.2.4 隐身进口格栅设计25
• 1.3 研究内容25-29
• 第2章 气动及电磁散射特性数值计算方法研究29-61
• 2.1 气动数值计算方法29-40
• 2.1.1 流动控制方程30-31
• 2.1.2 有限体积法31-33
• 2.1.3 空间离散格式33-35
• 2.1.4 时间推进方法35-37
• 2.1.5 边界条件37-39
• 2.1.6 湍流模型39-40
• 2.2 CFD技术可信度验证40-46
• 2.2.1 ONERA M6机翼验证41-42
• 2.2.2 DLR-F6翼身组合体绕流验证42-44
• 2.2.3 圆形S弯进气道验证44-46
• 2.3 几种电磁散射数值计算方法对比研究46-54
• 2.3.1 雷达散射截面46-48
• 2.3.2 几种雷达散射截面预估方法对比研究48-54
• 2.4 电磁散射数值方法可信度验证54-59
• 2.4.1 对平板的计算验证54-55
• 2.4.2 对二面角的计算验证55-57
• 2.4.3 对圆柱体的计算验证57-58
• 2.4.4 对直腔体的计算验证58-59
• 2.5 本章小结59-61
• 第3章 飞翼布局气动与隐身综合设计研究61-91
• 3.1 基于隐身反设计的飞翼布局气动与隐身综合设计研究61-81
• 3.1.1 基于隐身反设计的飞翼布局优化构型设计61-63
• 3.1.2 机身前缘钝形和类“鹰嘴”形设计气动特性对比63-70
• 3.1.3 机身前缘钝形和类“鹰嘴”形设计隐身特性对比70-81
• 3.2 基于装载布置设计的飞翼布局气动与隐身综合设计研究81-89
• 3.2.1 基于装载布置设计的飞翼布局外形设计81-82
• 3.2.2 机身低鼓包和双鼓包设计气动特性对比82-87
• 3.2.3 机身低鼓包和双鼓包设计隐身特性对比87-89
• 3.3 本章小结89-91
• 第4章 飞翼布局耦合保形进排气系统外形一体化设计91-105
• 4.1 飞翼布局双发动机布置92
• 4.2 飞翼布局保形进气道设计92-101
• 4.2.1 进气道设计方法92-99
• 4.2.2 飞翼布局保形S弯进气道设计99-101
• 4.3 飞翼布局保形非对称尾喷管设计101-104
• 4.3.1 飞翼布局两种保形非对称尾喷管设计102-103
• 4.3.2 尾喷管主要性能参数103-104
• 4.4 本章小结104-105
• 第5章 飞翼布局耦合保形进排气系统气动设计及优化研究105-167
• 5.1 动力数值模拟方法及验证106-111
• 5.1.1 推阻平衡原则107
• 5.1.2 动力参数设定与调节107-108
• 5.1.3 进排气系统数值模拟方法验证108-111
• 5.2 飞翼布局保形进排气系统通流时气动特性对比研究111-118
• 5.2.1 通流下计算方法及计算网格112-113
• 5.2.2 通流下纵向基本气动特性对比分析113-114
• 5.2.3 通流下典型迎角气动特性对比分析114-118
• 5.3 飞翼布局保形进排气系统耦合动力时气动特性对比研究118-140
• 5.3.1 不同保形进气道对飞翼布局气动特性影响研究118-128
• 5.3.2 不同保形尾喷管对飞翼布局气动特性影响研究128-134
• 5.3.3 尾喷管燃气舵概念设计研究134-140
• 5.4 优化设计方法140-142
• 5.4.1 试验设计方法140-141
• 5.4.2 代理模型141-142
• 5.4.3 优化算法142
• 5.5 飞翼布局保形非对称S弯进气道设计及优化研究142-153
• 5.5.1 进气道参数化方法143-145
• 5.5.2 无限插值网格变形技术145-146
• 5.5.3 优化设计流程146-147
• 5.5.4 优化设计结果与流场对比分析147-153
• 5.6 飞翼布局耦合进排气系统下多鼓包减阻设计及优化研究153-164
• 5.6.1 FFD参数化方法154-156
• 5.6.2 数值计算方法及 g-Reqt转捩模型验证156-157
• 5.6.3 多鼓包参数化模型157-158
• 5.6.4 多鼓包优化设计策略158-159
• 5.6.5 优化设计结果对比分析159-164
• 5.7 本章小结164-167
• 第6章 飞翼保形进排气系统电磁散射特性计算分析及设计研究167-193
• 6.1 腔体电磁散射特性数值计算方法研究167-169
• 6.1.1 腔体电磁散射特性数值计算方法167-168
• 6.1.2 进气道腔体电磁散射特性数值计算方法验证168-169
• 6.2 方转圆规则形状S弯进气道电磁散射特性研究169-184
• 6.2.1 进气道中心线变化规律对隐身特性影响研究170-178
• 6.2.2 进气道截面积变化规律对隐身特性影响178-184
• 6.3 飞翼布局耦合保形进排气系统电磁散射特性分析及设计研究184-191
• 6.3.1 飞翼布局耦合不同保形进气口进气道电磁散射特性研究184-188
• 6.3.2 飞翼布局耦合不同非对称尾喷管电磁散射特性研究188-191
• 6.4 本章小结191-193
• 第7章 飞翼布局耦合保形进口格栅气动与隐身综合设计研究193-225
• 7.1 格栅设计思想194-195
• 7.1.1 格栅设计原理及准则194-195
• 7.1.2 格栅研究内容195
• 7.2 格栅电磁散射特性计算方法及几何参数影响研究195-208
• 7.2.1 格栅电磁散射特性计算方法196-197
• 7.2.2 格栅特征几何参数对电磁散射特性影响研究197-204
• 7.2.3 格栅电磁散射特性计算方法验证与分析204-208
• 7.3 飞翼布局耦合保形进口格栅电磁散射特性研究208-215
• 7.3.1 飞翼布局耦合保形进口格栅设计208-210
• 7.3.2 飞翼布局耦合保形进口格栅电磁散射特性及实验验证210-215
• 7.4 飞翼布局耦合保形进口格栅气动特性研究215-223
• 7.4.1 飞翼布局耦合保形进口格栅气动计算网格及验证216-217
• 7.4.2 飞翼布局耦合进口格栅内外流一体化气动特性研究217-223
• 7.5 本章小结223-225
• 第8章 总结与展望225-229
• 8.1 论文工作总结225-227
• 8.2 主要创新点227-228
• 8.3 研究工作展望228-229
• 参考文献229-241
• 攻读博士学位期间发表的学术论文和参加科研情况241-243
• 致谢243-244

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本文编号：763487