謝旅榮,郭榮偉
(南京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院,江蘇 南京 210016)
超聲速混壓式進(jìn)氣道兼有外部壓縮和內(nèi)部壓縮,它與外壓式進(jìn)氣道相比外阻較小,而較內(nèi)壓式進(jìn)氣道易于起動(dòng),在飛行馬赫數(shù)大于2.5時(shí)常被采用。二元進(jìn)氣道由于結(jié)構(gòu)簡單,易于制造,且可以根據(jù)不同的任務(wù)需求選擇不同的布局形式,因此在一次性使用的吸氣式超聲速導(dǎo)彈中有較廣泛的應(yīng)用。進(jìn)氣道在導(dǎo)彈上的布局方式除了影響導(dǎo)彈的氣動(dòng)力特性外,對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)特性尤其是進(jìn)氣道性能同樣有著重要的影響[1-3]。但各種不同的布局方式均有優(yōu)缺點(diǎn),關(guān)鍵是要根據(jù)導(dǎo)彈的工作特點(diǎn)選擇合適的布局。比如:歐盟的“流星”空空導(dǎo)彈選用雙下側(cè)布局,該布局方式便于機(jī)載,具有升阻比大、迎角性能好和橫向空間較小的優(yōu)點(diǎn),但其側(cè)滑性能較差[4];德國的“Armiger”反輻射導(dǎo)彈采用四個(gè)倒置二元進(jìn)氣道叉形布局,由于減小了隔道高度從而降低了整體阻力,而且進(jìn)氣道對(duì)稱分布利于飛控,但該布局形式下的進(jìn)氣道其迎角/側(cè)滑特性較差,升阻比小[5-6];法國的“ASMP”導(dǎo)彈采用的是兩個(gè)二元進(jìn)氣道水平布局形式,進(jìn)氣道壓縮面與彈身垂直,該布局形式的特點(diǎn)是升阻比高、迎角性能好,但其占用橫向空間大。因此,對(duì)于二元進(jìn)氣道的氣動(dòng)特性研究需結(jié)合其布局形式進(jìn)行分析。
本文結(jié)合雙下側(cè)布局形式對(duì)二元進(jìn)氣道的流場特征和氣動(dòng)性能開展了研究。國外,雖然已經(jīng)有類似布局形式的導(dǎo)彈在研甚至已經(jīng)試飛成功(如“流星”導(dǎo)彈),但是可能由于保密的原因鮮見相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)。國內(nèi),對(duì)于定幾何二元混壓式進(jìn)氣道設(shè)計(jì)和數(shù)值仿真也進(jìn)行了較多的研究[7-9],結(jié)合布局形式的研究主要針對(duì)叉形布局[10]和雙下側(cè)布局[11-13]。受到風(fēng)洞試驗(yàn)條件的限制,結(jié)合雙下側(cè)布局形式獲得的進(jìn)氣道性能參數(shù)主要是出口截面的。為了更深入的研究進(jìn)氣道通道內(nèi)的流場特征和氣動(dòng)性能,本文在文獻(xiàn)[4]基礎(chǔ)上對(duì)其開展數(shù)值仿真研究,分析了雙下側(cè)布局形式的兩個(gè)進(jìn)氣道在不同飛行狀態(tài)下表現(xiàn)出的不同氣動(dòng)性能,并結(jié)合通道內(nèi)的流場特征分析其原因。
本文研究的二元混壓式進(jìn)氣道為雙下側(cè)布局形式(如圖1所示),工作馬赫數(shù)范圍是2.25~4.0,設(shè)計(jì)狀態(tài)為馬赫數(shù)Ma=3.0,迎角α=2°。具體型面參數(shù)請(qǐng)參見文獻(xiàn)[4]。
計(jì)算中用有限體積法求解雷諾平均后的三維N-S方程,紊流模型選用Jones和Launder提出的標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型,采用一階迎風(fēng)格式離散。由于紊流模型只適用于離開壁面一定距離的紊流區(qū)域,而在與壁面相鄰近的粘性邊界層中,必須考慮分子粘性的影響,k-ε方程亦要作相應(yīng)的修改,本文采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。采用商業(yè)軟件Fluent5.0計(jì)算,收斂準(zhǔn)則為:連續(xù)方程、動(dòng)量方程、能量方程以及k-ε方程的殘差至少下降3個(gè)數(shù)量級(jí),且進(jìn)氣道出口截面流量穩(wěn)定。
采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對(duì)整個(gè)計(jì)算域進(jìn)行填充。由于研究對(duì)象幾何形體十分復(fù)雜,整個(gè)計(jì)算域內(nèi)被分為數(shù)十個(gè)子域進(jìn)行網(wǎng)格生成,而后通過對(duì)接或耦合的方式形成一個(gè)整體。為了適合粘性計(jì)算以捕捉激波的需要,采用局部網(wǎng)格加密技術(shù)。由于在無側(cè)滑、滾轉(zhuǎn)下,計(jì)算對(duì)象結(jié)構(gòu)對(duì)稱、流場對(duì)稱,為了節(jié)省計(jì)算網(wǎng)格單元,取1/2的流動(dòng)區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分,圖1給出了該物理模型壁面網(wǎng)格圖,計(jì)算網(wǎng)格數(shù)目約為56萬。計(jì)算側(cè)滑特性時(shí)采用全流動(dòng)區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分,網(wǎng)格數(shù)目約為84萬。計(jì)算中采用的邊界條件有:壓力遠(yuǎn)場邊界、壓力出口邊界、無滑移固壁邊界和對(duì)稱邊界條件(1/2計(jì)算域時(shí))等。
圖1 二元進(jìn)氣道示意圖Fig.1 Sketch of inlet and model
圖2 壁面網(wǎng)格圖Fig.2 Grids of the model
對(duì)物理模型進(jìn)行數(shù)值仿真的工況范圍為:來流馬赫數(shù) Ma=2.25~4.0,迎角 α =-6°~10°,側(cè)滑角 β=0°~6°。研究范圍內(nèi),來流的單位雷諾數(shù)大于1×107。實(shí)驗(yàn)是在南京航空航天大學(xué)NH-1風(fēng)洞中進(jìn)行的。NH-1風(fēng)洞是暫沖式亞、跨、超聲速風(fēng)洞。試驗(yàn)段截面尺寸為(0.6m×0.6m)。超聲速實(shí)驗(yàn)時(shí)通過更換噴管獲得不同的來流馬赫數(shù)。在試驗(yàn)馬赫數(shù)范圍內(nèi)來流的單位雷諾數(shù)大于2×107。
下面首先給出數(shù)值仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證,試驗(yàn)結(jié)果來自文獻(xiàn)[4];然后分析數(shù)值仿真獲得的進(jìn)氣道流場特征和氣動(dòng)性能。
2.1.1 沿程靜壓分布曲線比較
圖3給出了在設(shè)計(jì)狀態(tài)下,計(jì)算和試驗(yàn)獲得的進(jìn)氣道處于超臨界狀態(tài)和臨界狀態(tài)時(shí)唇罩面和壓縮面沿程靜壓分布曲線。由圖可見,計(jì)算獲得的靜壓分布曲線和試驗(yàn)相當(dāng)吻合。同時(shí)由圖3的靜壓分布曲線也可以看出,在進(jìn)氣道出口截面稍上游處已經(jīng)出現(xiàn)結(jié)尾激波系,這是由于氣流拐彎段的影響造成的。圖4給出了未加出口反壓時(shí)不同縱剖面的計(jì)算馬赫數(shù)分布圖譜??梢钥闯鲈谶M(jìn)氣道對(duì)稱面圖譜的出口截面上存在結(jié)尾激波系。在試驗(yàn)中出口截面處為測(cè)量截面,受到總壓測(cè)量耙的影響,試驗(yàn)得到的激波位置要比計(jì)算獲得的位置前移。同時(shí)由圖4拐彎段縱剖面的馬赫數(shù)分布圖譜可以看出,拐彎段內(nèi)出現(xiàn)了局部亞聲速區(qū),但是被超聲速區(qū)將其與下游隔離,因此反壓必須提高到一定的值才能將進(jìn)氣道內(nèi)已存在的結(jié)尾激波系往前推動(dòng)。
圖3 Ma=3.0時(shí)進(jìn)氣道沿程靜壓分布曲線Fig.3 Distribution of static-pressure coefficient along duct at Ma=3.0
圖4 Ma=3.0,α=2°,β =γ=0°超臨界狀態(tài)下進(jìn)氣道的馬赫數(shù)等值分布圖譜Fig.4 Mach number contours in the symmetry plane with supercritical operation at Ma=3.0,α=2°,and β =γ=0°
2.1.2 結(jié)尾激波系在超聲速收縮通道內(nèi)的流場特性
由文獻(xiàn)[4]試驗(yàn)獲得的進(jìn)氣道沿程靜壓分布曲線發(fā)現(xiàn),當(dāng)進(jìn)氣道結(jié)尾激波系位于喉道位置時(shí),繼續(xù)加大反壓,結(jié)尾激波系可以穩(wěn)定在收縮通道內(nèi)。三維數(shù)值仿真獲得了同樣的結(jié)果。圖5給出了Ma=2.5,α=2°,β=γ=0°下結(jié)尾激波系在收縮通道內(nèi)和擴(kuò)張通道內(nèi)時(shí)計(jì)算和試驗(yàn)所獲得的進(jìn)氣道沿程靜壓分布曲線,可見計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果變化規(guī)律一致。圖6給出了對(duì)應(yīng)于圖5結(jié)尾激波系在收縮通道內(nèi)時(shí)進(jìn)氣道對(duì)稱面馬赫數(shù)和流線分布圖??梢钥闯?,由唇罩面和壓縮面上兩道斜激波和弱激波串組成的結(jié)尾激波系,已不同于傳統(tǒng)意義上混壓式進(jìn)氣道的結(jié)尾正激波。根據(jù)數(shù)值仿真獲得的流場參數(shù)由流量連續(xù)公式計(jì)算,發(fā)現(xiàn)在物理喉道前方的結(jié)尾激波系附近(圖6.b所示的方框內(nèi))存在一個(gè)最小流通截面。這是因?yàn)楫?dāng)結(jié)尾激波系被推過喉道時(shí),在面積收縮比較小的收斂通道后段,由于激波/附面層相互干擾形成了小于物理喉道的氣動(dòng)喉道。氣動(dòng)喉道的形成致使結(jié)尾激波系能“站立”在收縮通道內(nèi),保持穩(wěn)定的工作狀態(tài)。而且結(jié)尾激波系前馬赫數(shù)減弱使進(jìn)氣道的性能高于臨界狀態(tài)時(shí)的數(shù)值。同樣的情況在更高馬赫數(shù)下也存在。數(shù)值仿真結(jié)果還發(fā)現(xiàn),在Ma=2.25時(shí)結(jié)尾激波系不太容易在收縮通道內(nèi)停留,這是因?yàn)槲锢砗淼烂娣e是按Ma=2.25確定的,盡管在設(shè)計(jì)時(shí)留有一定的裕度,但若形成比喉道還小的氣動(dòng)喉道時(shí),易出現(xiàn)流量堵塞,從而將結(jié)尾激波系推出內(nèi)通道,導(dǎo)致進(jìn)氣道不起動(dòng)。
進(jìn)氣道在來流馬赫數(shù)高于2.25時(shí)出現(xiàn)這種現(xiàn)象對(duì)于實(shí)際飛行是有利的,可以允許燃燒室壓力在臨界附近有一定范圍的上下波動(dòng),而不影響到進(jìn)氣道捕獲的流量和工作穩(wěn)定性,有效提高了推進(jìn)系統(tǒng)的穩(wěn)定工作裕度。
綜上所述,計(jì)算結(jié)果和風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果吻合良好,說明所采用的數(shù)值仿真方法可靠,結(jié)果可信,可作為該類進(jìn)氣道研究的有力工具。
圖5 Ma=2.5不同反壓下的沿程靜壓分布曲線Fig.5 Distribution of static-pressure coefficient along duct at different back-pressure ratios
圖6 Ma=2.5下結(jié)尾激波系在收縮通道內(nèi)時(shí)進(jìn)氣道對(duì)稱面馬赫數(shù)等值和流線分布圖Fig.6 Mach number contours and path lines in the symmetry plan when terminal shocks were moved in the convergent channels at Ma=2.5
2.2.1 來流馬赫數(shù)變化的影響
圖7給出了α=2°,β=γ=0°時(shí)臨界狀態(tài)下進(jìn)氣道出口截面總壓恢復(fù)系數(shù)和流量系數(shù)隨來流馬赫數(shù)的變化曲線??梢钥闯觯?jì)算和試驗(yàn)規(guī)律一致,隨著來流馬赫數(shù)的增加,進(jìn)氣道出口截面的總壓恢復(fù)系數(shù)逐漸降低。在低于設(shè)計(jì)馬赫數(shù)時(shí),隨著來流馬赫數(shù)的增大,流量系數(shù)是升高的,到了設(shè)計(jì)馬赫數(shù)3.0后流量系數(shù)變化不大,基本保持在1.0。圖8分別給出了Ma=2.5和Ma=3.0,α =2°,β=γ =0°時(shí)臨界狀態(tài)下進(jìn)氣道對(duì)稱面上的馬赫數(shù)等值分布圖譜??梢钥闯觯琈a=2.5時(shí)斜激波波前馬赫數(shù)和喉道馬赫數(shù)相對(duì)于Ma=3.0時(shí)低,激波造成的總壓損失相對(duì)較小,因此Ma=2.5時(shí)進(jìn)氣道的總壓恢復(fù)系數(shù)高于Ma=3.0時(shí)的數(shù)值。同時(shí)由于Ma=2.5時(shí)進(jìn)口前的斜激波角度相對(duì)Ma=3.0時(shí)大,存在較多的超聲速溢流,導(dǎo)致流量系數(shù)低于Ma=3.0時(shí)的數(shù)值。
圖7 α=2°,β=γ=0°時(shí)進(jìn)氣道總壓恢復(fù)系數(shù)和流量系數(shù)隨來流馬赫數(shù)變化曲線Fig.7 Total pressure recovery coefficient and mass flow ratio vs flight Mach number
圖8 臨界狀態(tài)時(shí)進(jìn)氣道對(duì)稱面馬赫數(shù)等值分布圖譜Fig.8 Mach number contours in the symmetry plane
2.2.2 迎角變化的影響
圖9給出了不同來流馬赫數(shù)下進(jìn)氣道總壓恢復(fù)系數(shù)和流量系數(shù)隨迎角的變化曲線??梢钥闯?,在研究范圍內(nèi),隨著迎角的增大,進(jìn)氣道的總壓恢復(fù)系數(shù)和流量系數(shù)在來流馬赫數(shù)為3.0和3.5時(shí)均是上升的。這說明雙下側(cè)布局方式的進(jìn)氣道迎角性能好。圖10給出了Ma=3.0,β=γ=0°,α =2°和 α =8°時(shí)臨界狀態(tài)下進(jìn)氣道對(duì)稱面的馬赫數(shù)等值分布圖譜??煽闯?,在α=8°時(shí),進(jìn)氣道壓縮面相對(duì)自由來流壓縮角增大,波后馬赫數(shù)降低,喉道馬赫數(shù)相對(duì)于α=2°時(shí)降低較大,結(jié)尾激波系損失減小,因此總壓恢復(fù)系數(shù)較高。
由圖9還可以看出,在Ma=2.5,α從-2°增加到4°時(shí)總壓恢復(fù)系數(shù)和流量系數(shù)是上升的。隨著迎角的繼續(xù)增大,總壓恢復(fù)系數(shù)和流量系數(shù)下降后基本保持不變。圖11給出了 Ma=2.5,α=6°,β=γ=0°時(shí)低反壓下進(jìn)氣道對(duì)稱面上的馬赫數(shù)等值分布圖譜??梢钥闯?,進(jìn)氣道進(jìn)口外唇罩出現(xiàn)一道類似弓形的激波,有亞聲速溢流,因此Ma=2.5,α=6°時(shí)進(jìn)氣道總壓恢復(fù)系數(shù)和流量系數(shù)均有所下降。圖11還給出了該馬赫數(shù)下α=10°時(shí)進(jìn)氣道對(duì)稱面上的馬赫數(shù)等值分布圖譜,可以看出,與α=6°比較,α=10°時(shí)進(jìn)口前的脫體激波更遠(yuǎn)離唇口,溢流更多。由圖11還可發(fā)現(xiàn),盡管進(jìn)口前出現(xiàn)脫體激波,但是收縮段內(nèi)的氣動(dòng)通道總能調(diào)整到使進(jìn)氣道的物理喉道加速到聲速。也正是因?yàn)樵谘芯康挠欠秶鷥?nèi),進(jìn)氣道不起動(dòng)后喉道總能達(dá)到聲速,而喉道前的激波損失由于來流馬赫數(shù)較低,總壓損失變化不大,進(jìn)氣道的總壓恢復(fù)系數(shù)基本不變,因此能通過喉道的流量基本不變,流量系數(shù)的變化也不大。同樣的,在Ma=2.25,α =-4°~10°變化時(shí),迎角增大到 2°后進(jìn)氣道性能也下降,隨后基本保持不變,如圖9所示。
圖9 不同來流馬赫數(shù)下進(jìn)氣道總壓恢復(fù)系數(shù)和流量系數(shù)隨迎角變化曲線Fig.9 Total pressure recovery coefficient and mass flow ratio vs angle of attack
圖10 Ma=3.0時(shí)不同迎角下進(jìn)氣道對(duì)稱面馬赫數(shù)等值分布圖譜Fig.10 Mach number contours in the symmetry plane at different angles of attack at Ma=3.0
圖11 Ma=2.5時(shí)不同大迎角下進(jìn)氣道對(duì)稱面馬赫數(shù)等值分布圖譜Fig.11 Mach number contours in the symmetry plane at different angles of attack at Ma=2.5
2.2.3 側(cè)滑角變化的影響
圖12分別給出了Ma=3.0和Ma=2.5,α=2°,γ=0°時(shí)進(jìn)氣道總壓恢復(fù)系數(shù)和流量系數(shù)隨側(cè)滑角的變化曲線??梢钥闯?,在研究范圍內(nèi)Ma=3.0時(shí),隨著側(cè)滑角的增加,兩側(cè)進(jìn)氣道的總壓恢復(fù)系數(shù)均是下降的,但是迎風(fēng)側(cè)進(jìn)氣道相對(duì)于背風(fēng)側(cè)進(jìn)氣道的性能下降更大;同時(shí),隨著側(cè)滑角的增加,背風(fēng)側(cè)進(jìn)氣道的流量系數(shù)是增加的,而迎風(fēng)側(cè)進(jìn)氣道的流量系數(shù)下降較厲害。圖13 給出了 Ma=3.0,α =2°,β =4°,γ =0°時(shí)迎風(fēng)側(cè)處于臨界狀態(tài)下的兩側(cè)進(jìn)氣道對(duì)稱面的馬赫數(shù)等值分布圖譜??梢钥闯?,在迎風(fēng)側(cè)進(jìn)氣道處于臨界狀態(tài)時(shí),背風(fēng)側(cè)進(jìn)氣道仍遠(yuǎn)離喉道位置處在超臨界狀態(tài),兩側(cè)進(jìn)氣道結(jié)尾激波系位置存在差別。而且由于背風(fēng)側(cè)進(jìn)氣道壓縮面相對(duì)來流壓縮角度增大,波后馬赫數(shù)較低,使進(jìn)氣道結(jié)尾激波系強(qiáng)度相對(duì)弱,因此背風(fēng)側(cè)進(jìn)氣道的總壓恢復(fù)系數(shù)高于迎風(fēng)側(cè)進(jìn)氣道的。在研究的范圍內(nèi),隨著側(cè)滑角的增大,背風(fēng)側(cè)進(jìn)氣道雖然受彈身的影響增大,但是由于進(jìn)氣道進(jìn)口捕獲面積增大,因此其流量系數(shù)是增大的,而迎風(fēng)側(cè)正好相反,所以兩個(gè)進(jìn)氣道的流量系數(shù)變化趨勢(shì)相反。
圖12 進(jìn)氣道總壓恢復(fù)系數(shù)和流量系數(shù)隨側(cè)滑角變化曲線Fig.12 Total pressure recovery coefficient and mass flow ratio vs yaw angle
圖12給出的Ma=2.5時(shí)兩側(cè)進(jìn)氣道性能的變化曲線與Ma=3.0的規(guī)律不太一致,背風(fēng)側(cè)進(jìn)氣道的性能并未優(yōu)于迎風(fēng)側(cè)的性能。這是由于在Ma=2.5,β=2°時(shí)背風(fēng)側(cè)進(jìn)氣道出現(xiàn)流量堵塞導(dǎo)致不起動(dòng),進(jìn)口前增加了一道弓形激波,如圖14所示,因此總壓恢復(fù)系數(shù)和流量系數(shù)下降較大。隨著側(cè)滑角繼續(xù)增大,背風(fēng)側(cè)進(jìn)氣道受到彈身的影響增大,進(jìn)口前的總壓損失較大,而受到迎風(fēng)側(cè)進(jìn)氣道承受反壓能力的限制,結(jié)尾激波系更遠(yuǎn)離喉道致使總壓恢復(fù)系數(shù)也隨著下降。也正是由于喉道前的損失增大,進(jìn)氣道不起動(dòng)后盡管喉道仍能達(dá)到聲速,但其截面流通能力下降,從而使流量系數(shù)也隨之下降。
由以上分析得到如下結(jié)論:
(1)當(dāng)來流馬赫數(shù)高于起動(dòng)馬赫數(shù)2.25時(shí),進(jìn)氣道處于臨界狀態(tài)下,出口反壓繼續(xù)增大,在一定范圍內(nèi),結(jié)尾激波系可以停留在收縮通道內(nèi)。
圖13 Ma=3.0,α=2°,β =4°,γ=0°時(shí)臨界狀態(tài)下兩側(cè)進(jìn)氣道對(duì)稱面馬赫數(shù)等值分布圖譜Fig.13 Mach number contours in the symmetry planeof the inlets at Ma=3.0,α=2°,β =4°,γ=0°
圖14 Ma=2.5,α=2°,β =2°,γ=0°時(shí)超臨界狀態(tài)下兩側(cè)進(jìn)氣道對(duì)稱面馬赫數(shù)等值分布圖譜Fig.14 Mach number contours in the symmetry plane of the inlets at Ma=2.5,α =2°,β =2°,γ=0°
(2)隨著來流馬赫數(shù)的增加,進(jìn)氣道斜激波損失和結(jié)尾激波損失增大,導(dǎo)致進(jìn)氣道的總壓恢復(fù)系數(shù)隨之下降。而流量系數(shù)隨著來流馬赫數(shù)的增大而增大,到設(shè)計(jì)馬赫數(shù)及以上基本保持為1.0。
(3)一定范圍內(nèi)隨著迎角的增加進(jìn)氣道的總壓恢復(fù)系數(shù)和流量系數(shù)均是提高的;但在低馬赫數(shù)大迎角情況下,進(jìn)氣道易出現(xiàn)不起動(dòng)現(xiàn)象;當(dāng)進(jìn)氣道出現(xiàn)不起動(dòng)時(shí),進(jìn)氣道的總壓恢復(fù)系數(shù)下降;繼續(xù)增大迎角,其總壓恢復(fù)系數(shù)和流量系數(shù)基本保持不變。
(4)由于共用同一燃燒室,在側(cè)滑情況下,背風(fēng)側(cè)進(jìn)氣道受迎風(fēng)側(cè)進(jìn)氣道承受反壓能力下降的限制,兩側(cè)進(jìn)氣道的性能均下降。隨著側(cè)滑角的增大,迎風(fēng)側(cè)進(jìn)氣道的流量系數(shù)逐漸降低,背風(fēng)側(cè)進(jìn)氣道則是增大。當(dāng)?shù)婉R赫數(shù)大側(cè)滑角下進(jìn)氣道不起動(dòng)時(shí),其總壓恢復(fù)系數(shù)和流量系數(shù)均下降。
(5)通過與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果比較,表明所采用的數(shù)值方法是可信的,可作為該類進(jìn)氣道研究的有力工具。
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空氣動(dòng)力學(xué)學(xué)報(bào)2011年3期