CN117902051A - 采用埋入式微通道阵列的进气道及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用埋入式微通道阵列的进气道及其设计方法，通过在进气道入口上游安置埋入式微通道阵列，利用进气道入口上游由机身发展而来的边界层内的低能流体自身的能量进行驱动，通过微小通道阵列进行旁路输运，进而避免低能流体被吸入进气道内部与并在进气道内部诱导出大范围流动分离。本发明提出的进气道与传统带隔道进气道和鼓包进气道相比，由于具有埋入式微通道阵列嵌入飞行器机身内部，外部表面无任何凸起，因此其具有隐身性能优、结构重量轻、迎风阻力小等优点。

Description

采用埋入式微通道阵列的进气道及其设计方法

技术领域

本发明涉及飞行器进气道设计领域，尤其是一种采用埋入式微通道阵列、依靠低能流自身能量自驱迁移的进气道。

背景技术

在传统的飞行器设计中，研究的重点是获得高升阻比和高机动性。为了提高飞行器在战场上的生存能力，飞行器除具有高速高机动能力外，还需具有高隐身特征。进气道作为吸气式飞行器动力系统中的重要组成部件，不仅需要为发动机的高效运行提供高品质的气流，进气道还是决定飞行器隐身特征的关键结构部件。

为了使飞行器具有优异的机动性能，除了通过精心设计飞行器的机体结构外，还需要飞行器的动力系统提供充沛的动力。进气道作为飞行器动力系统的“咽喉要道”，其工作特性将显著影响下游动力系统的性能。飞行器的结构设计中，进气道往往位于机体中后段，因此进气道入口上游存在由机身发展而来的大量低能流体，若将上游低能流体吸入进气道中，进气道出口气流的品质将显著恶化，这将使得动力系统无法正常有效运行，进而影响飞行器的飞行安全。因此，为了避免进气道吸入大量低能流体，常见的设计手段有采用边界层隔道和采用鼓包进气道。对于采用边界层隔道而言，隔道高度高于进气道入口上游边界层的厚度，因此可有效避免进气道吸入低能流体。然而，采用隔道必将使得飞行器的迎风面积增大，进而导致飞行器的飞行阻力增加。与此同时，隔道是一个很强的电磁波角反射器，显著影响飞行器的雷达隐身性能。因此现代飞行器的设计中，设计师更加青睐于采用鼓包进气道。因其取消了边界层隔道，因此飞行阻力和隐身性能得到显著改善。但是鼓包式进气道由于其几何构型不可动，因此仅在一定的飞行范围内工作效率较高，同时由于鼓包依旧凸出于飞行器机体壁面，因此其仍存在一定的气动阻力。

故，需要一种新的技术方案以解决上述问题。

发明内容

发明目的：为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种采用埋入式微通道阵列的进气道。通过采用与飞行器机身高度融合的埋入式微通道阵列，将进气道入口上游边界层排移至机体两侧。与传统带隔道/鼓包进气道相比，该设计方法能够显著减小进气道的迎风阻力、改善进气道的隐身性能、降低进气系统的结构重量。

本发明同时提供该进气道的设计方法。

技术方案：本发明公开的采用埋入式微通道阵列的进气道可采用以下技术方案。

一种采用埋入式微通道阵列的进气道，包括进气道内通道、进气道入口、位于进气道入口上游的压缩面、位于压缩面两侧并弯折形成的侧壁；所述侧壁的一部分延伸至位于进气道内通道的两侧；所述压缩面内设有微通道阵列，微通道阵列包括若干条埋入压缩面内部的埋入式微通道，该埋入式微通道的入口位于压缩面上，埋入式微通道的出口位于侧壁上；埋入式微通道与进气道内通道相互独立不连通。

进一步的，所述微通道阵列中包含两组埋入式微通道，所有埋入式微通道的入口在压缩面上沿横向排列，其中一组埋入式微通道的出口沿一侧侧壁自前向后排列，另一组埋入式微通道的出口沿一侧侧壁自前向后排列；两组埋入式微通道沿进气道展向中心截面对称设置。

进一步的，每个所述埋入式微通道沿流向宽度(w_n)保持不变，每个所述埋入式微通道沿流向高度逐渐扩张。

进一步的，每个所述埋入式微通道包括自上游到下游依次首尾连通的导流段(B₁)、入口整流段(B₂)、轴向扩张段(B₃)、弯曲扩张段(B₄)和侧向扩张段(B₄)；

其中导流段(B₁)的长度为入口自前向后的长度；入口整流段(B₂)为自导流段(B₁)后端向压缩面内倾斜下沉埋入的沿流向方向直线段；轴向扩张段(B₃)为自入口整流段(B₂)后端弯折形成的沿流向方向直线段，且轴向扩张段(B₃)的轴向与压缩面之间的夹角小于入口整流段(B₂)的轴向与压缩面之间的夹角；弯曲扩张段(B₄)为自轴向扩张段(B₃)后端向侧面弯曲的沿流向方向弧线段；侧向扩张段(B₅)为连通弯曲扩张段(B₄)后端及出口的沿流向方向直线段。

进一步的，埋入式微通道阵列的每个入口均采用矩形埋入式入口，沿来流方向埋入式微通道阵列表面无任何凸起。

进一步的，埋入式微通道阵列的所有入口的总展向宽度(w_B)大于进气道入口的展向宽度(w_inlet)。

进一步的，埋入式微通道展向截面为矩形，且沿流向宽度(w_n)保持不变。

进一步的，每组埋入式微通道中的所有微通道弯曲扩张段(B₄)管道中心线的圆心位置相同，相邻管道的管道中心线半径之差为相邻管道中心线间距。

进一步的，靠近对称面的埋入式微通道其特征参数r_n/_wn的最小值为4.5，最外侧的埋入式微通道其特征参数r_n/w_n的最小值为2.0，位于靠近对称面和最外侧之间的埋入式微通道其特征参数r_n/w_n的最小值为3.6。

有益效果：本发明提供的采用埋入式微通道阵列的进气道，通过采用与飞行器机体高度融合的埋入式微通道阵列、依靠边界层内低能流自身能量进行驱动，可将进气道入口上游发展而来的边界层迁移至进气道入口两侧，有效隔断低能流体和主流之间的不利耦合作用。与此同时，采用埋入式微通道构型，可以实现微通道与飞行器的高度融合，与采用隔道/鼓包进气道相比，其具有隐身性能更高、迎风阻力更小、占用机体空间小等优点。

本发明同时提供该进气道的设计方法，采用以下技术方案：

包括以下步骤：

(1).获取进气道入口展向宽度(w_inlet)，则埋入式微通道阵列入口宽度(w_B)大于进气道入口展向宽度(w_inlet)；

(2).获取进气道入口上游机体长度，由此依据估算边界层厚度的经验公式得到进气道入口上游边界层厚度(δ_BL)；Re_x为当地雷诺数；

(3).根据进气道入口高度(h_inlet)以及步骤(2)中得到的边界层厚度，确定埋入式微通道入口高度(h_B)；

(4).综合考虑埋入式微通道阵列入口展向宽度、埋入式微通道阵列与进气道之间的耦合设计以及最大化减小管道摩擦损失后，设置该埋入式微通道阵列半模中包含若干个通道，从中间截面依次向外；

(5).导流段(B₁)的导流角(α)取9°～14°；入口整流段(B₂)的上壁面结构角和导流角(α)相等，入口整流段(B₂)的流向长度(l)取6h_B，入口整流段(B₂)的下壁面与上壁面夹角(β)的取值为1°～3°；

(6).入口整流段(B₂)与轴向扩张段(B3)相交处进行倒圆处理使流道光滑过渡，轴向扩张段(B₃)的流向长度(m)不大于5h_B；

(7).靠近中间截面的微通道弯曲扩张段管道中心线半径(r₁)、相邻通道弯曲扩张段管道中心线半径(r₂)、最外侧通道弯曲扩张段管道中心线半径(r₃)均满足埋入式微通道其特征参数(r_n/w_n)的取值范围；

(8).侧向扩张段(B₅)的出口角度(ζ)不大于60°；

(9).在保证埋入式微通道阵列与进气道结构不发生干涉的条件下，埋入式微通道阵列入口后缘到进气道入口的距离(D)设定为1.6D_aip；D_aip为进气道出口直径。

附图说明

图1是采用埋入式微通道阵列的无隔道无鼓包进气道结构示意图；

图2是采用埋入式微通道阵列的无隔道无鼓包进气道俯视图和侧视图；

图3是R-R截面剖视图；

图4是P-P截面剖视图；

图5是Q-Q截面和S-S截面剖视图；

图6是S弯进气道在不同出口马赫数条件下的出口总压恢复系数(σ)；

图7是S弯进气道在不同出口马赫数条件下的出口稳态周向畸变指数(Δσ₀)。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的详细说明。

本发明公开一种采用埋入式微通道阵列的无隔道无鼓包进气道及其设计方法。下面对本发明方法设计该实施例的详细实施步骤进行叙述。

请结合图1及图2所示，本发明提供一种采用埋入式微通道阵列的进气道，包括进气道内通道1、进气道入口2、位于进气道入口2上游的压缩面3、位于压缩面3两侧并弯折形成的侧壁4；所述侧壁4的一部分延伸至位于进气道内通道的两侧。在本实施例中，该压缩面3及侧壁4即为飞行器的机身一部分。

所述压缩面3内设有微通道阵列，微通道阵列包括若干条埋入压缩面内部的埋入式微通道5，该埋入式微通道的入口6位于压缩面3上，埋入式微通道的出口7位于侧壁4上；埋入式微通道5与进气道内通道1相互独立不连通，使埋入式微通道阵列与进气道结构不发生干涉。所述微通道阵列中包含两组埋入式微通道，所有埋入式微通道的入口6在压缩面上沿横向排列，其中一组埋入式微通道的出口沿一侧侧壁自前向后排列，另一组埋入式微通道的出口沿一侧侧壁自前向后排列；两组埋入式微通道沿进气道展向中心截面OO′对称设置。如本实施方式中，每组埋入式微通道包括3个埋入式微通道，且该3个埋入式微通道等间距排列。微通道阵列中的每个埋入式微通道的入口6均采用矩形埋入式入口，沿来流方向埋入式微通道阵列表面无任何凸起。

请结合图2至图5所示，每个所述埋入式微通道沿流向宽度w_n保持不变，每个所述埋入式微通道沿流向高度逐渐扩张。每个所述埋入式微通道包括自上游到下游依次首尾连通的导流段B₁、入口整流段B₂、轴向扩张段B₃、弯曲扩张段B₄和侧向扩张段B₅。其中导流段B₁的长度为入口自前向后的长度；入口整流段B₂为自导流段B₁后端向压缩面内倾斜下沉埋入的沿流向方向直线段；轴向扩张段B₃为自入口整流段B₂后端弯折形成的沿流向方向直线段，且轴向扩张段B₃的轴向与压缩面之间的夹角小于入口整流段B₂的轴向与压缩面之间的夹角；弯曲扩张段B₄为自轴向扩张段B₃后端向侧面弯曲的沿流向方向弧线段；侧向扩张段B₅为连通弯曲扩张段B₄后端及出口的沿流向方向直线段。每组埋入式微通道中的所有微通道弯曲扩张段B₄管道中心线的圆心位置相同，相邻管道的管道中心线半径之差为相邻管道中心线间距。埋入式微通道阵列的所有入口的总展向宽度w_B大于进气道入口的展向宽度w_inlet。埋入式微通道展向截面为矩形，且沿流向宽度w_n保持不变。

再结合图2至图5所示，该进气道中其他的参数要求包括：埋入式微通道阵列通道入口高度h_B与微通道入口处边界层厚度δ_BL为同一量级，同时通道入口高度h_B应小于进气道入口高度h_inlet的20％。导流段B₁的导流角α取值介于9°～14°之间。整流段B₂的上壁面结构角和导流角α相等，当结构角/>确定后，埋入式微通道上壁面的壁厚由入口整流段B₂的流向长度l唯一确定。入口整流段B₂下壁面与上壁面夹角β的取值介于1°～3°之间，入口整流段B₂下游呈单边扩张，通道内部上壁面与来流方向一致，下壁面与来流方向的夹角为1°。整流段B₂与轴向扩张段B₃光滑连接，轴向扩张段B₃上壁面与水平方向平行，流向长度m应不大于5h_B，下壁面与上壁面夹角ψ为1°。弯曲扩张段B₄上壁面与下壁面的夹角ψ为1°，此外，管道中心线为一段圆弧，其特征参数为管道中心线圆弧半径r_n和管道宽度w_n的比值r_n/w_n。侧向扩张段B₅上壁面与下壁面的夹角ψ为1°，出口方向与外部来流方向夹角ζ的取值应不大于60°。每个微通道弯曲扩张段B₄管道中心线的圆心位置相同，相邻管道的管道中心线半径之差为相邻管道中心线间距。靠近对称面的埋入式微通道其特征参数r_n/w_n的最小值为4.5，最外侧的埋入式微通道其特征参数r_n/w_n的最小值为2.0，位于靠近对称面和最外侧之间的埋入式微通道其特征参数r_n/w_n的最小值为3.6；r_n为每个微通道弯曲扩张段管道中心线半径；w_n为每个所述埋入式微通道沿流向宽度。

同时，提供以一个设置了具体参数的设计方法获取上述进气道结构，并进行验证的实施例，具体说明如下：

以设计一个亚声速S弯进气道为目标，对采用埋入式微通道阵列的无隔道无鼓包进气道及其设计方法的详细实施步骤进行叙述。S弯进气道出口直径D_aip为65mm，入口展向宽度为0.72D_aip，入口高度为0.48D_aip，进气道入口上游机体长度L为21.46D_aip。由于埋入式微通道阵列构型关于进气道展向中截面对称，为方便叙述，选取埋入式微通道阵列的半模(从来流方向看，位于进气道展向中截面右侧)来详细描述其设计过程。

(1).结合图3所示，已知进气道入口展向宽度w_inlet为0.72D_aip，则埋入式微通道阵列入口宽度w_B应大于0.72D_aip。

(2).进气道入口上游机体长度为21.46D_aip，由此依据估算边界层厚度的经验公式可知此时进气道入口上游边界层厚度δ_BL为17.5mm；Re_x为当地雷诺数，计算公式为：/>其中ρ、v、L、μ分别为当地气流主流密度、轴向速度、边界层发展长度、气流动力黏度。

(3).结合图4所示，根据进气道入口高度h_inlet以及步骤(2)中得到的边界层厚度，确定本实施例中埋入式微通道入口高度h_B为5mm。

(4).结合图5所示，综合考虑埋入式微通道阵列入口展向宽度、埋入式微通道阵列与进气道之间的耦合设计以及最大化减小管道摩擦损失后，本实施例中埋入式微通道阵列半模中包含三个通道，从中间截面依次向外，三个埋入式微通道入口宽高比w_n/h_B分别为4、4和3，相邻管道间壁厚d取1mm。

(5).结合图5所示，导流段B₁的导流角α和入口整流段B₂的上壁面结构角取13°，入口整流段B₂的流向长度l取6h_B，入口整流段B₂的管道扩张角为2°。

(6).结合图5所示，入口整流段B₂与轴向扩张段B₃相交处进行倒圆处理，保证流道光滑过渡，轴向扩张段B₃的流向长度m取4h_B。

(7).靠近中间截面的微通道弯曲扩张段管道中心线半径r₁取19h_B，相邻通道弯曲扩张段管道中心线半径r₂取14.8h_B，最外侧通道弯曲扩张段管道中心线半径r₁取11.1h_B，均满足埋入式微通道其特征参数r_n/w_n的取值范围。

(8).结合图5所示，侧向扩张段B₅的出口角度ζ取45°。

(9).结合图4所示，在保证埋入式微通道阵列与进气道结构不发生干涉的条件下，埋入式微通道阵列入口后缘到进气道入口的距离D设定为1.6D_aip。

由上述步骤(1)～(9)即可得到采用埋入式微通道阵列的无隔道无鼓包进气道。

针对本发明，采用数值仿真方法验证了采用埋入式微通道阵列的无隔道无鼓包进气道在来流马赫数M₀为0.75时进气道的气动性能。图6及图7所示为S弯进气道在不同出口马赫数条件下的出口总压恢复系数σ和稳态周向畸变指数Δσ₀。由图可知，在进气道入口上游安置埋入式微通道阵列模型后进气道气动性能有较大改善，总压恢复系数最高可以提升2.1％，稳态周向畸变指数最高可以降低27.8％。

另外，本发明的具体实现方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式。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，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种采用埋入式微通道阵列的进气道，包括进气道内通道、进气道入口、位于进气道入口上游的压缩面、位于压缩面两侧并弯折形成的侧壁；所述侧壁的一部分延伸至位于进气道内通道的两侧；其特征在于，所述压缩面内设有微通道阵列，微通道阵列包括若干条埋入压缩面内部的埋入式微通道，该埋入式微通道的入口位于压缩面上，埋入式微通道的出口位于侧壁上；埋入式微通道与进气道内通道相互独立不连通。

2.根据权利要求1所述的采用埋入式微通道阵列的进气道，其特征在于，所述微通道阵列中包含两组埋入式微通道，所有埋入式微通道的入口在压缩面上沿横向排列，其中一组埋入式微通道的出口沿一侧侧壁自前向后排列，另一组埋入式微通道的出口沿一侧侧壁自前向后排列；两组埋入式微通道沿进气道展向中心截面对称设置。

3.根据权利要求1或2所述的采用埋入式微通道阵列的进气道，其特征在于，每个所述埋入式微通道沿流向宽度(w_n)保持不变，每个所述埋入式微通道沿流向高度逐渐扩张。

4.根据权利要求3所述的采用埋入式微通道阵列的进气道，其特征在于，每个所述埋入式微通道包括自上游到下游依次首尾连通的导流段(B₁)、入口整流段(B₂)、轴向扩张段(B₃)、弯曲扩张段(B₄)和侧向扩张段(B₅)；

其中导流段(B₁)的长度为入口自前向后的长度；入口整流段(B₂)为自导流段(B₁)后端向压缩面内倾斜下沉埋入的沿流向方向直线段；轴向扩张段(B₃)为自入口整流段(B₂)后端弯折形成的沿流向方向直线段，且轴向扩张段(B₃)的轴向与压缩面之间的夹角小于入口整流段(B₂)的轴向与压缩面之间的夹角；弯曲扩张段(B₄)为自轴向扩张段(B₃)后端向侧面弯曲的沿流向方向弧线段；侧向扩张段(B₅)为连通弯曲扩张段(B₄)后端及出口的沿流向方向直线段。

5.根据权利要求1或2所述的采用埋入式微通道阵列的进气道，其特征在于，埋入式微通道阵列的每个入口均采用矩形埋入式入口，沿来流方向埋入式微通道阵列表面无任何凸起。

6.根据权利要求5所述的采用埋入式微通道阵列的进气道，其特征在于，埋入式微通道阵列的所有入口的总展向宽度(w_B)大于进气道入口的展向宽度(w_inlet)。

7.根据权利要求6所述的采用埋入式微通道阵列的进气道，其特征在于，埋入式微通道展向截面为矩形，且沿流向宽度(w_n)保持不变。

8.根据权利要求2所述的采用埋入式微通道阵列的进气道，其特征在于，每组埋入式微通道中的所有微通道弯曲扩张段(B₄)管道中心线的圆心位置相同，相邻管道的管道中心线半径之差为相邻管道中心线间距。

9.根据权利要求2所述的采用埋入式微通道阵列的进气道，其特征在于，靠近对称面的埋入式微通道其特征参数r_n/w_n的最小值为4.5，最外侧的埋入式微通道其特征参数r_n/w_n的最小值为2.0，位于靠近对称面和最外侧之间的埋入式微通道其特征参数r_n/w_n的最小值为3.6；r_n为每个微通道弯曲扩张段管道中心线半径；w_n为每个所述埋入式微通道沿流向宽度。

10.一种如权利要求1至9中任一项所述采用埋入式微通道阵列的进气道的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1).获取进气道入口展向宽度(w_inlet)，则埋入式微通道阵列入口宽度(w_B)大于进气道入口展向宽度(w_inlet)；

(2).获取进气道入口上游机体长度，由此依据估算边界层厚度的经验公式得到进气道入口上游边界层厚度(δ_BL)；Re_x为当地雷诺数；

(3).根据进气道入口高度(h_inlet)以及步骤(2)中得到的边界层厚度，确定埋入式微通道入口高度(h_B)；

(4).综合考虑埋入式微通道阵列入口展向宽度、埋入式微通道阵列与进气道之间的耦合设计以及最大化减小管道摩擦损失后，设置该埋入式微通道阵列半模中包含若干个通道，从中间截面依次向外；

(5).导流段(B₁)的导流角(α)取9°～14°；入口整流段(B₂)的上壁面结构角和导流角(α)相等，入口整流段(B₂)的流向长度(l)取6h_B，入口整流段(B₂)的下壁面与上壁面夹角(β)的取值为1°～3°；

(6).入口整流段(B₂)与轴向扩张段(B₃)相交处进行倒圆处理使流道光滑过渡，轴向扩张段(B₃)的流向长度(m)不大于5h_B；

(7).靠近中间截面的微通道弯曲扩张段管道中心线半径(r₁)、相邻通道弯曲扩张段管道中心线半径(r₂)、最外侧通道弯曲扩张段管道中心线半径(r₃)均满足埋入式微通道其特征参数(r_n/w_n)的取值范围；

(8).侧向扩张段(B₅)的出口角度(ζ)不大于60°；

(9).在保证埋入式微通道阵列与进气道结构不发生干涉的条件下，埋入式微通道阵列入口后缘到进气道入口的距离(D)设定为1.6D_aip；D_aip为进气道出口直径。