基于型面流场控制的内收缩进气道流场重构与验证

The uneven distribution of flow parameters and large flow distortion at the exit of inward turning inlet leads to inlet performance degradation. In order to improve the aerodynamic performances of inlet, a study of flow reconstruction based on the shape flow control will to be carried out in this project. The preliminary study shows that the inlet designed with this new concept presents more even flowfield and higher aerodynamic performances. The critical factors that dominate the flow of inward turning inlet will be summarized through analyzing the flow characteristics and flow mechanism. The flow reconstruction is implemented with designing the control-shape, and the migration of boundary layer generation and the development process of streamwise vortex will be analyzed. Base on these, the internal relation among the control-shape, wave structure, wall pressure distribution, boundary layer development and flow characteristics will be established, and the key design parameters of control-shape will be summarized. Further, the design guidelines of flow reconstruction will be set and the mechanism of flow reconstruction based on shape-control will be revealed. Finally, the influence of flow reconstruction on the self-starting capability, aerodynamic performances and flow at exit of inlet will be studied, the technique of flow reconstruction based on shape-control will be developed and verified through wind tunnel test. The achievements of this project will provide design guidelines and technical support for the development of hypersonic propulsion system.

三维内收缩进气道流场参数分布不均，出口流场畸变大，导致进气道性能下降。为进一步提升进气道的性能，本项目拟开展基于型面流场控制的内收缩进气道流场重构研究。初步研究结果显示该设计概念能改善进气道流场结构，提升进气道性能。通过分析三维内收缩进气道流动特征及流动机理，提炼主导该类进气道流动的关键因素； 基于受控型面设计进行流场重构，分析低能流迁移、流向涡产生、发展及传输过程，建立受控型面、波系结构、壁面压力分布、边界层发展与流动特征之间的内在联系，提炼关键型面设计参数，建立流场重构设计准则，揭示基于型面流场控制的流场重构机理；分析流场重构对进气道出口流场、自起动性能及气动性能的影响，发展基于型面流场控制的内收缩进气道流场重构技术并开展风洞试验验证。本项目研究成果将为我国高超声速推进系统相关技术的形成与发展提供理论依据与技术支持。

三维内转式进气道具有较高的气流捕获能力与压缩效率，是高超声速进气道一个重要的发展方向，具有较好的应用前景。但三维内转式进气道流场参数分布不均且自起动困难。为改善内转式进气道的流场参数分布及气动性能，本项目采用数值仿真与试验验证相结合的方法开展了基于型面流场控制的内转式进气道流动特性研究，提炼了关键的气动影响因素、揭示了流动控制机理、给出了进气道关键设计参数及相应的影响规律，获得了基于型面流场控制的进气道设计方案，完成了试验验证，验证了本项目提出的型面流场控制概念的可行性。. 首先，分析了典型内转式进气道的主要流动特征。研究发现：唇罩激波与侧壁边界层干扰诱发的流向涡是该类进气道流动特征的主要影响因素，导致流场参数分布不均。. 其次，在上述研究基础上开展了内转式进气道型面流场控制研究，得到了进气道控制型面的关键设计参数以及参数取值范围，获得了相应的影响规律。研究表明：中心线型及其偏距是控制型面的关键设计参数，在研究范围内，合理设定上述参数可以改善进气道的流场参数分布，提高进气道性能。. 再次，分析了型面流动控制关键参数对进气道流动性能的影响机制。本项目提出的内转式进气道型面流动控制方案影响边界层的发展与空间分布，改善边界层周向分布的均匀性。重构唇罩激波干扰区的压力分布，可以控制流向涡的产生、发展以及空间分布。减小干扰区的横向压力梯度可以减弱流向涡强度，使流向涡向流场中间偏移，提高流场参数分布的周向均匀性。. 最后，在上述研究基础上，给出了基于型面流动控制的内转式进气道较优设计方案，开展了典型状态的试验验证。. 在研究范围内，与原型进气道相比，基于型面流场控制的进气道能够大幅度提高进气道的气动性能，出口总压恢复系数、最大抗反压分别相对提高26%、20%；自起动马赫数从6.3降到5.4。. 本项目获得的气动控制机制与相关规律，对该类进气道的流动控制与优化具有重要的科学与工程应用价值。