發(fā)布時間：2017-08-31 04:34

  本文關(guān)鍵詞：飛翼布局耦合進排氣的氣動與隱身綜合設(shè)計研究

  更多相關(guān)文章： 飛翼布局無人機 進排氣系統(tǒng) 保形 一體化設(shè)計 S彎進氣道 非對稱尾噴管 動力數(shù)值模擬 進口格柵

【摘要】：進排氣系統(tǒng)氣動性能的好壞直接影響著發(fā)動機的工作,且其布局方式也將直接影響飛行器整體氣動性能;同時,進排氣系統(tǒng)作為一種電大尺寸凹腔結(jié)構(gòu)是飛行器前向和后向的主要電磁散射源之一,其形成的雷達散射截面(Radar Cross Section,RCS)對飛行器整體RCS貢獻較大,極大地影響飛行器生存能力。因此,如何設(shè)計合理的進排氣系統(tǒng)布局方式以滿足飛行器具有良好的氣動和隱身性能是現(xiàn)代隱身飛行器研究重點之一。本文以大展弦比雙發(fā)飛翼布局為背景,開展了飛翼布局耦合進排氣的氣動與隱身綜合設(shè)計研究,研究工作主要包括以下幾方面:(1)開展了基于三維可壓縮N-S方程的氣動數(shù)值模擬方法和幾種用于電磁散射特性計算的數(shù)值方法研究。首先,基于有限體積法,開展了采用Roe格式空間離散格式、隱式LU-SGS時間推進方法、多種邊界條件的氣動數(shù)值模擬方法研究;其次,開展了基于多層快速多極子(MLFMM)、物理光學法(PO)以及射線彈跳法(SBR)的電磁散射特性數(shù)值計算方法研究,并研究了其計算機理、計算精度和適用范圍。最后,分別通過實驗與數(shù)值計算對比,驗證了所建立的氣動和電磁散射特性數(shù)值計算方法是可靠的。(2)為了解決氣動與隱身性能俱佳的設(shè)計問題,開展了飛翼布局氣動與隱身綜合設(shè)計研究,并提出了一種氣動和隱身性能俱佳的類“鷹嘴”形前緣設(shè)計(減小翼型前緣半徑),將其作為保形進排氣系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)。研究主要針對大展弦比飛翼布局大鼓包式機身展開,分別基于隱身反設(shè)計和基于裝載布置設(shè)計開展了飛翼布局設(shè)計研究,然后針對不同雷達頻率下大展弦比飛翼布局呈現(xiàn)不同電尺寸特性,開展了相應(yīng)的RCS預(yù)估方法研究,并通過某飛翼布局縮比模型的隱身測試進行了數(shù)值方法的驗證。(3)為了解決耦合進排氣系統(tǒng)下飛翼布局仍能獲取良好氣動和隱身性能的問題,提出了一種飛機/進排氣系統(tǒng)一體化保形設(shè)計思想,并在保持雙發(fā)飛翼布局整體流線型的氣動布局下開展了保形進排氣系統(tǒng)外形一體化設(shè)計。首先,基于常規(guī)進氣道設(shè)計準則,結(jié)合超橢圓方程,開展了S彎進氣道設(shè)計方法研究,并通過對規(guī)則形狀(長方形進氣口轉(zhuǎn)圓形出口)S彎進氣道設(shè)計進行了設(shè)計方法初步驗證,共構(gòu)建了5種不同中心線和截面積變化規(guī)律進氣道。其次,基于所構(gòu)建的S彎進氣道設(shè)計方法,開展了雙發(fā)飛翼布局保形進氣道設(shè)計。最后,綜合考慮氣動、電磁隱身和紅外隱身三者的相容性,開展了較大寬高比的飛翼布局保形非對稱尾噴管設(shè)計。(4)為了獲取更好的氣動性能和更高的推進效率,針對雙發(fā)飛翼布局耦合保形進排氣系統(tǒng)開展了氣動設(shè)計及優(yōu)化研究。首先,基于推阻平衡原則和等熵流動假設(shè),開展了飛翼布局進排氣系統(tǒng)動力數(shù)值模擬方法研究,通過引入壓力邊界條件來模擬發(fā)動機進排氣效應(yīng),并結(jié)合推阻平衡原則進行動力參數(shù)調(diào)節(jié),然后分別通過保形進氣道和膨脹尾噴管計算與實驗結(jié)果對比,驗證了模擬發(fā)動機進排氣壓力邊界條件的有效性。其次,基于所建立的動力數(shù)值模擬方法,分別開展了雙發(fā)飛翼布局保形進氣道和保形尾噴管氣動特性分析及設(shè)計研究。然后,基于保形圓矩形尾噴管開展了一種新型推力矢量控制方式研究,即尾噴管燃氣舵的概念設(shè)計。為了進一步提升保形進排氣系統(tǒng)的內(nèi)流特性,還開展了保形非對稱S彎進氣道設(shè)計及優(yōu)化研究,提出了一種新的中心線和截面積變化規(guī)律的進氣道參數(shù)化方法,并采用無限插值變形技術(shù)(TFI),且引入樣本更新和多輪優(yōu)化的思想構(gòu)建優(yōu)化體系。最后,為了進一步提升飛翼布局耦合進排氣系統(tǒng)時全機氣動性能,開展了基于自由變形(FFD)方法的多鼓包減阻設(shè)計及優(yōu)化研究。(5)基于雙發(fā)飛翼保形進排氣系統(tǒng)開展了電磁散射特性計算分析及設(shè)計研究,并針對不同電尺寸腔體目標構(gòu)建了一套有效的電磁散射特性數(shù)值計算方法。首先,開展了腔體隱身數(shù)值計算方法研究,并通過進口斜切45°進氣道腔體隱身實驗進行了驗證。其次,構(gòu)建了與無人機保形進氣道尺寸相同(進、出口截面面積相同)的方轉(zhuǎn)圓規(guī)則形狀S彎進氣道,基于MLFMM方法開展了中心線和截面積變化規(guī)律對進氣道電磁散射特性影響研究,并分析了其散射機理。然后,結(jié)合全尺寸大展弦比飛翼布局耦合保形進排氣系統(tǒng),基于SBR方法開展了不同進口形狀進氣道和不同面積比非對稱噴管電磁散射特性影響及設(shè)計研究,并通過飛翼布局耦合矩形進氣道隱身實驗對比,進一步驗證仿真算法的有效性。(6)基于雙發(fā)飛翼布局耦合保形進排氣系統(tǒng)時前向區(qū)域散射明顯增強,首次系統(tǒng)地開展了保形進口格柵氣動與隱身綜合設(shè)計研究,并針對復(fù)雜進口格柵構(gòu)建了一套有效的氣動和電磁散射特性數(shù)值計算方法。首先,基于相關(guān)的工程應(yīng)用實例,提煉出進口格柵設(shè)計原理及準則,在此基礎(chǔ)上構(gòu)建并制作了斜切45°規(guī)則進口格柵耦合直腔體模型,并基于MLFMM算法開展了格柵電磁散射特性數(shù)值計算與實驗的對比驗證。其次,開展了格柵典型特征幾何參數(shù)如格柵孔間距、格柵傾角及格柵厚度等對格柵電磁散射特性影響研究,還研究了不同頻率和不同極化方式下格柵電磁散射特性。然后,基于優(yōu)化后保形非對稱S彎進氣道,開展了飛翼布局保形進口格柵設(shè)計及電磁散射特性研究,且制作了飛翼布局耦合保形進口格柵縮比模型并進行了隱身實驗,進一步驗證了所建立的格柵電磁散射特性數(shù)值計算方法是可靠的。最后,開展了飛翼布局耦合保形進口格柵內(nèi)外流一體化氣動特性研究,考慮到保形進口格柵形狀變化復(fù)雜,提出了基于混合網(wǎng)格的氣動計算方法,并進行了不同孔間距格柵對機體內(nèi)外流氣動特性影響研究。
【關(guān)鍵詞】：飛翼布局無人機 進排氣系統(tǒng) 保形 一體化設(shè)計 S彎進氣道 非對稱尾噴管 動力數(shù)值模擬 進口格柵
【學位授予單位】：西北工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：V279
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-13
• 第1章 緒論13-29
• 1.1 研究背景及意義13-18
• 1.1.1 飛翼布局的發(fā)展及特點13-16
• 1.1.2 耦合進排氣系統(tǒng)的氣動與隱身綜合設(shè)計16-18
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀18-25
• 1.2.1 進排氣系統(tǒng)設(shè)計方法18-21
• 1.2.2 進排氣系統(tǒng)氣動特性研究21-23
• 1.2.3 進排氣系統(tǒng)電磁散射特性計算方法研究23-25
• 1.2.4 隱身進口格柵設(shè)計25
• 1.3 研究內(nèi)容25-29
• 第2章 氣動及電磁散射特性數(shù)值計算方法研究29-61
• 2.1 氣動數(shù)值計算方法29-40
• 2.1.1 流動控制方程30-31
• 2.1.2 有限體積法31-33
• 2.1.3 空間離散格式33-35
• 2.1.4 時間推進方法35-37
• 2.1.5 邊界條件37-39
• 2.1.6 湍流模型39-40
• 2.2 CFD技術(shù)可信度驗證40-46
• 2.2.1 ONERA M6機翼驗證41-42
• 2.2.2 DLR-F6翼身組合體繞流驗證42-44
• 2.2.3 圓形S彎進氣道驗證44-46
• 2.3 幾種電磁散射數(shù)值計算方法對比研究46-54
• 2.3.1 雷達散射截面46-48
• 2.3.2 幾種雷達散射截面預(yù)估方法對比研究48-54
• 2.4 電磁散射數(shù)值方法可信度驗證54-59
• 2.4.1 對平板的計算驗證54-55
• 2.4.2 對二面角的計算驗證55-57
• 2.4.3 對圓柱體的計算驗證57-58
• 2.4.4 對直腔體的計算驗證58-59
• 2.5 本章小結(jié)59-61
• 第3章 飛翼布局氣動與隱身綜合設(shè)計研究61-91
• 3.1 基于隱身反設(shè)計的飛翼布局氣動與隱身綜合設(shè)計研究61-81
• 3.1.1 基于隱身反設(shè)計的飛翼布局優(yōu)化構(gòu)型設(shè)計61-63
• 3.1.2 機身前緣鈍形和類“鷹嘴”形設(shè)計氣動特性對比63-70
• 3.1.3 機身前緣鈍形和類“鷹嘴”形設(shè)計隱身特性對比70-81
• 3.2 基于裝載布置設(shè)計的飛翼布局氣動與隱身綜合設(shè)計研究81-89
• 3.2.1 基于裝載布置設(shè)計的飛翼布局外形設(shè)計81-82
• 3.2.2 機身低鼓包和雙鼓包設(shè)計氣動特性對比82-87
• 3.2.3 機身低鼓包和雙鼓包設(shè)計隱身特性對比87-89
• 3.3 本章小結(jié)89-91
• 第4章 飛翼布局耦合保形進排氣系統(tǒng)外形一體化設(shè)計91-105
• 4.1 飛翼布局雙發(fā)動機布置92
• 4.2 飛翼布局保形進氣道設(shè)計92-101
• 4.2.1 進氣道設(shè)計方法92-99
• 4.2.2 飛翼布局保形S彎進氣道設(shè)計99-101
• 4.3 飛翼布局保形非對稱尾噴管設(shè)計101-104
• 4.3.1 飛翼布局兩種保形非對稱尾噴管設(shè)計102-103
• 4.3.2 尾噴管主要性能參數(shù)103-104
• 4.4 本章小結(jié)104-105
• 第5章 飛翼布局耦合保形進排氣系統(tǒng)氣動設(shè)計及優(yōu)化研究105-167
• 5.1 動力數(shù)值模擬方法及驗證106-111
• 5.1.1 推阻平衡原則107
• 5.1.2 動力參數(shù)設(shè)定與調(diào)節(jié)107-108
• 5.1.3 進排氣系統(tǒng)數(shù)值模擬方法驗證108-111
• 5.2 飛翼布局保形進排氣系統(tǒng)通流時氣動特性對比研究111-118
• 5.2.1 通流下計算方法及計算網(wǎng)格112-113
• 5.2.2 通流下縱向基本氣動特性對比分析113-114
• 5.2.3 通流下典型迎角氣動特性對比分析114-118
• 5.3 飛翼布局保形進排氣系統(tǒng)耦合動力時氣動特性對比研究118-140
• 5.3.1 不同保形進氣道對飛翼布局氣動特性影響研究118-128
• 5.3.2 不同保形尾噴管對飛翼布局氣動特性影響研究128-134
• 5.3.3 尾噴管燃氣舵概念設(shè)計研究134-140
• 5.4 優(yōu)化設(shè)計方法140-142
• 5.4.1 試驗設(shè)計方法140-141
• 5.4.2 代理模型141-142
• 5.4.3 優(yōu)化算法142
• 5.5 飛翼布局保形非對稱S彎進氣道設(shè)計及優(yōu)化研究142-153
• 5.5.1 進氣道參數(shù)化方法143-145
• 5.5.2 無限插值網(wǎng)格變形技術(shù)145-146
• 5.5.3 優(yōu)化設(shè)計流程146-147
• 5.5.4 優(yōu)化設(shè)計結(jié)果與流場對比分析147-153
• 5.6 飛翼布局耦合進排氣系統(tǒng)下多鼓包減阻設(shè)計及優(yōu)化研究153-164
• 5.6.1 FFD參數(shù)化方法154-156
• 5.6.2 數(shù)值計算方法及 g-Reqt轉(zhuǎn)捩模型驗證156-157
• 5.6.3 多鼓包參數(shù)化模型157-158
• 5.6.4 多鼓包優(yōu)化設(shè)計策略158-159
• 5.6.5 優(yōu)化設(shè)計結(jié)果對比分析159-164
• 5.7 本章小結(jié)164-167
• 第6章 飛翼保形進排氣系統(tǒng)電磁散射特性計算分析及設(shè)計研究167-193
• 6.1 腔體電磁散射特性數(shù)值計算方法研究167-169
• 6.1.1 腔體電磁散射特性數(shù)值計算方法167-168
• 6.1.2 進氣道腔體電磁散射特性數(shù)值計算方法驗證168-169
• 6.2 方轉(zhuǎn)圓規(guī)則形狀S彎進氣道電磁散射特性研究169-184
• 6.2.1 進氣道中心線變化規(guī)律對隱身特性影響研究170-178
• 6.2.2 進氣道截面積變化規(guī)律對隱身特性影響178-184
• 6.3 飛翼布局耦合保形進排氣系統(tǒng)電磁散射特性分析及設(shè)計研究184-191
• 6.3.1 飛翼布局耦合不同保形進氣口進氣道電磁散射特性研究184-188
• 6.3.2 飛翼布局耦合不同非對稱尾噴管電磁散射特性研究188-191
• 6.4 本章小結(jié)191-193
• 第7章 飛翼布局耦合保形進口格柵氣動與隱身綜合設(shè)計研究193-225
• 7.1 格柵設(shè)計思想194-195
• 7.1.1 格柵設(shè)計原理及準則194-195
• 7.1.2 格柵研究內(nèi)容195
• 7.2 格柵電磁散射特性計算方法及幾何參數(shù)影響研究195-208
• 7.2.1 格柵電磁散射特性計算方法196-197
• 7.2.2 格柵特征幾何參數(shù)對電磁散射特性影響研究197-204
• 7.2.3 格柵電磁散射特性計算方法驗證與分析204-208
• 7.3 飛翼布局耦合保形進口格柵電磁散射特性研究208-215
• 7.3.1 飛翼布局耦合保形進口格柵設(shè)計208-210
• 7.3.2 飛翼布局耦合保形進口格柵電磁散射特性及實驗驗證210-215
• 7.4 飛翼布局耦合保形進口格柵氣動特性研究215-223
• 7.4.1 飛翼布局耦合保形進口格柵氣動計算網(wǎng)格及驗證216-217
• 7.4.2 飛翼布局耦合進口格柵內(nèi)外流一體化氣動特性研究217-223
• 7.5 本章小結(jié)223-225
• 第8章 總結(jié)與展望225-229
• 8.1 論文工作總結(jié)225-227
• 8.2 主要創(chuàng)新點227-228
• 8.3 研究工作展望228-229
• 參考文獻229-241
• 攻讀博士學位期間發(fā)表的學術(shù)論文和參加科研情況241-243
• 致謝243-244

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本文編號：763487