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带双气动盘的气动杆构型减阻防热性能研究

内容来源:机械设计与制造工程杂志      浏览次数:184      更新时间:2021-09-18

黄〓杰1,姚卫星1,2,吴旭生3
(1.南京航空航天大学机械结构力学及控制国家重点实验室,江苏 南京〓210016)
(2.南京航空航天大学飞行器先进设计技术国防重点学科实验室,江苏 南京〓210016)
(3.北京临近空间飞行器系统工程研究所,北京〓100076)
摘要:采用计算流体力学数值方法研究了带气动盘的气动杆对高超声速钝头体气动阻力和气动加热的影响,空间离散采用AUSM+格式,湍流模拟采用Menter's SSTk-ω模型。结果表明带双气动盘的气动杆具有最佳的减阻防热性能,且其通过流场重构的方法实现了钝头体的减阻和防热。此外增加双气动盘之间的距离对钝头体的减阻防热性能不利,在进行气动杆设计时应尽量减小两个气动盘的距离。
关键词:高超声速;气动杆;气动盘;减阻防热
中图分类号:V211.5〓〓〓文献标识码:A〓〓〓文章编号:2095-509X(2021)07-0055-05

现代和未来飞行器的设计目标之一是追求更快的速度,因此近年来在航空航天领域高超声速技术得到了大力发展。高超声速飞行器在飞行过程中会承受巨大的气动阻力和严峻的气动加热[1-2],这也是高超声速飞行器在气动设计上与常规超声速飞行器的主要区别。气动阻力主要来自于激波阻力,而气动加热现象主要存在于激波层和边界层内。本文采用主动激波削弱技术来同时达到降低高超声速飞行器气动阻力和气动加热的效果,对提高飞行器的性能和安全性具有重要的研究价值。
目前针对削弱高超声速飞行器激波的研究主要集中在气动杆技术上。气动杆通常为一等截面的细长圆杆,其安装于高超声速飞行器的鼻锥处。气动杆的主要作用是实现对高超声速自由来流的预压缩,并在气动杆前端形成一道斜激波或弓形激波。受到预压缩后的气流速度得到降低,其向下游流动到达鼻锥后形成的再附激波必然会被减弱,从而实现高超声速飞行器减阻防热的目的[3-4]。实际上从整体流场结构上来看,安装气动杆相当于将原始弓形激波转化为斜激波,降低了整体激波的强度,从而实现减阻防热。此外一些学者还提出在气动杆前端安装气动盘以提高系统的减阻防热性能,气动盘的直径通常比气动杆直径大3倍以上,其本〖HJ*5/9〗质为气动盘增强了气动杆对高超声速自由来流的预压缩[5-6],进一步降低了后方的再附激波强度。
本文采用计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)数值方法进行带双气动盘的气动杆构型的减阻防热性能研究,通过对比4种构型的流场结构及减阻防热性能验证双气动盘模型优异的减阻防热性能,并研究2个气动盘之间的距离对系统减阻防热性能的影响。

1〓几何和数值模型本文的研究对象为带气动盘和气动杆的钝头体,气动杆安装在钝头体前部,气动盘安装于气动杆上。为了研究气动杆对减阻防热性能的影响,建立了4种不同的分析模型,如图1所示。模型1为单独的钝头体,模型2为带气动杆的钝头体,模型3为带气动盘和气动杆的钝头体,模型4为带双气动盘和气动杆的钝头体。通过比较模型1和2的分析结果可研究气动杆对减阻防热性能的影响,比较模型2和3的分析结果可研究气动盘对减阻防热性能的影响,比较模型3和4的分析结果可研究气动杆数量对减阻防热性能的影响。表1列出了4种几何模型的尺寸。

基金项目:国家自然科学基金资助项目(52002181);博士后创新人才支持计划(BX20190152);中国博士后科学基金资助项目(2019M660118);江苏省博士后科研资助计划项目(2019K127);江苏高校优势学科建设工程资助项目
作者简介:黄杰(1989—),男,博士,主要研究方向为高超声速飞行器设计

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