目录
目录...........................................................................................................................I 表目录.................................................................................................................III 图目录.................................................................................................................IV 摘要 (i)
ABSTRACT (iii)
第一章绪论 (1)
1.1研宄背景 (1)
1.2国内外Busemann进气道研宄现状 (2)
1.2.1国外研宄现状 (2)
1.2.2国内研宄现状 (5)
1.3进气道设计优化研宄现状 (6)
1.3.1国外研宄现状 (6)
1.3.2国内研宄现状 (7)
1.4论文研宄内容 (8)
第二章基本方法与数值验证 (11)
2.1试验设计方法 (11)
2.2替代模型 (12)
2.3优化方法 (13)
2.4数值计算方法与验证 (15)
2.4.1控制方程 (15)
2.4.2湍流模型 (16)
2.4.3边界条件 (17)
2.4.4算例验证 (17)
2.5本章小结 (23)
第三章设计参数对Busemann进气道性能的影响 (24)
3.1进气道相关参数说明 (24)
3.1.1进气道设计参数 (24)
3.1.2进气道性能参数 (24)
3.2型面设计马赫数对Busemann进气道性能影响 (25)
3.2.1进气道构型设计 (25)
3.2.2巡航状态计算结果分析 (26)
3.2.3低马赫数来流状态计算结果分析 (29)
3.3截短度数对Busemann进气道性能影响 (31)
3.3.1进气道构型设计 (31)
3.3.2网格生成与边界条件 (32)
3.3.3计算结果分析 (32)
3.4 本章小结 (35)
第四章流线追踪Busemann进气道多目标优化设计 (36)
4.1优化过程简介 (36)
4.2试验设计 (37)
4.2.1进气道构型设计 (37)
4.2.2试验取样 (37)
4.3优化分析 (39)
4.3.1优化迭代过程 (39)
4.3.2优化结果分析 (40)
4.4本章小结 (46)
第五章Busemann进气道粘性修正研究 (48)
5.1粘性修正方法介绍 (48)
5.2基准Busemann进气道粘性修正研宄 (49)
5.2.1直接粘性修正方法研宄 (49)
5.2.2改进粘性修正方法研宄 (51)
5.3粘性修正对流线追踪Busemann进气道性能的影响 (55)
5.3.1粘性修正前后10号进气道性能对比 (55)
5.3.2粘性修正前后Opt2进气道性能对比 (57)
5.4 本章小结 (60)
结束语 (61)
致谢 (63)
参考文献 (65)
作者在学期间取得的学术成果 (71)
表2.l
表4.l
表4.2表4.3表4.4
表4.5表4.6 1表4.7表4.8
表4.9 '表4.10表5.l
表5.2表5.3表5.4表目录
进气道验证模型性能参数对比...............................设计变量取值范围...................................................样本点相关设计变量...............................................目标函数参考值和权值...........................................进气道初始构型设计参数.......................................优化构型O p tl设计参数......................................... O p tl构型数值仿真结果与优化结果对比..............后增样本点相关设计变量.......................................优化构型Opt2设计参数......................................... Opt2构型数值仿真结果与优化结果对比..............初始构型与O p t2目标函数对比...........................无粘、未修正、粘性修正后进气道性能参数对比.不同修正系数的进气道性能参数对比...................粘性修正前后10号进气道性能参数对比.............粘性修正前后Opt2进气道性能参数对比.............22 38 38 39 39 40 40 40 40 40 45 51 52 55 57
图目录
图1.1 Busemann进气道..........................................................................图1.2基于强激波准则设计的Busemann进气道..................................图1.3带滑移门的“糖勺”进气道实验模型........................................图1.4 Busemann进气道泄流槽位置示意图...........................................图1.5试验模型示意图............................................................................图1.6论文内容结构图............................................................................图2.1随机拉丁超立方与优化拉丁超立方对比图................................图2.2粒子群优化流程图........................................................................图2.3进气道验证模型示意图.................................................................图2.4进气道验证模型无粘数值计算网格............................................图2.5进气道验证模型有粘数值计算网格............................................图2.6验证模型无粘数值计算结果与理论结果的对比图.....................图2.7验证模型无粘流场马赫数等值线图.............................................图2.8验证模型无粘流场局部马赫数等值线图.....................................图2.9验证模型无粘流场静压等值线图.................................................图2.10验证模型无粘流场局部静压等值线图.......................................图2.11验证模型无粘流场总压等值线图...............................................图2.12验证模型理论结果、无粘结果、有粘结果压缩型面静压分布图2.13验证模型有粘流场马赫数等值线图...........................................图2.14验证模型有粘流场局部马赫数等值线图...................................图2.15验证模型有粘流场静压等值线图...............................................图2.16验证模型有粘流场总压等值线图...............................................图3.1不同型面设计马赫数进气道模型对比图....................................图3.2巡航状态进气道性能参数对比....................................................图3.3巡航状态进气道流场马赫数等值线图........................................图3.4巡航状态进气道肩点马赫数等值线图........................................图3.5型面设计马赫数4的进气道肩点后方流线图............................图3.6巡航状态出口马赫数分布............................................................图3.7低马赫数来流进气道性能参数对比............................................图3.8低马赫数来流进气道流场马赫数等值线图................................. 2 . 2 . 3 . 4 . 5 . 9 12 14 17 18 18 18 19 19 20 20 20 21 21 22 22 22 26 26 27 28 28 29 29 30
图3.9低马赫数来流出口马赫数分布 (31)
图3.10不同截短度数进气道示意图 (31)
图3.11三维截短进气道模型示意图 (32)
图3.12三维截短进气道模型网格图 (32)
图3.13不同截短度数的进气道对称面马赫数等值线图 (33)
图3.14不同截短度数的进气道对称面静压等值线图 (34)
图3.15不同截短度数的进气道出口马赫数等值线图 (34)
图3.16不同截短度数的进气道出口静压等值线图 (34)
图3.17不同截短度数进气道性能参数对比曲线 (35)
图4.1优化流程图 (36)
图4.2流线追踪Busemann进气道示意图 (37)
图4.3唇口偏移量示意图 (37)
图4.4 P areto最优前沿 (42)
图4.5阻力系数的灵敏度分析图 (42)
图4.6进气道长度的灵敏度分析图 (43)
图4.7增压比的灵敏度分析图 (43)
图4.8总压恢复系数的灵敏度分析图 (43)
图4.9进气道初始构型与优化构型对称面马赫数等值线图 (45)
图4.10进气道初始构型与优化构型对称面静压等值线图 (46)
图4.11初始进气道构型与优化构型O pt2出口流场静压等值线图 (46)
图5.1粘性修正前后进气道压缩型面曲线对比图 (49)
图5.2理论解、未修正、粘性修正后的进气道压缩型面静压分布 (50)
图5.3无粘、未修正、粘性修正后进气道流场马赫数等值线图 (51)
图5.4粘性修正后压缩型面长度变化 (51)
图5.5不同修正系数的进气道性能参数对比 (52)
图5.6不同修正系数下的进气道流场马赫数等值线图 (53)
图5.7不同修正系数的压缩型面静压与理论结果对比图 (54)
图5.8粘性修正前后10号进气道对称面马赫数等值线图 (56)
图5.9粘性修正前后10号进气道对称面静压等值线图 (56)
图5.10粘性修正前后进气道出口马赫数等值线图 (56)
图5.11粘性修正前后进气道出口静压等值线图 (57)
图5.12粘性修正前后Opt2进气道对称面马赫数等值线图 (58)
图5.13粘性修正前后Opt2进气道对称面静压等值线图 (58)
图5.14粘性修正前后Opt2进气道唇口马赫数等值线图 (59)
图5.15粘性修正前后Opt2进气道出口马赫数等值线图 (59)
图5.16粘性修正前后Opt2进气道出口静压等值线图 (60)
摘要
论文以高超声速Busemann进气道为研宄对象，采用理论分析和数值模拟方法，系统研宄三维进气道构型设计参数对进气道综合性能的影响规律，将多目标优化方法引入基于流线追踪的Busemann进气道设计过程，并改进了粘性修正方法，进一步提升了三维进气道的设计水平。
详细介绍了研宄中用到的试验设计方法、替代模型和优化算法及其相关理论。建立了三维数值模拟方法，并针对基准Busemann进气道进行验证，无粘数值模拟结果与理论分析结果吻合较好。分析对比无粘和有粘数值计算结果，表明粘性对流场结构有显著影响，造成进气道性能明显降低。
系统研宄了型面设计马赫数和截短度数对进气道性能的影响。研宄表明，巡 航状态下适当降低型面设计马赫数有助于减小阻力系数，但降低过多造成进气道整体性能下降，低马赫数来流状态下提高型面设计马赫数对进气道性能和流场结构影响不大，随着进气道截短度数的增大，流场内激波增强，增压比和阻力系数增大，总压恢复系数和出口马赫数减小。
建立了矩形流线追踪Busemann进气道构型参数模型，采用优化拉丁超立方设计、Kriging替代模型、多目标粒子群算法与及数值仿真相结合的方法对其开展了多目标优化设计研宄。模型验证表明优化计算与数值仿真的目标函数误差小于3%。获得了进气道三维构型的优化设计方案，与基准方案相比，优化方案的综合性能得到显著提升。深入分析了Pareto最优解集，揭示了进气道性能指标之间的相互关系。研宄表明，进气道长度和阻力系数以及进气道长度和增压比互相制约，不能同时达到最优，阻力系数与增压比成正比，与总压恢复系数成反比，总压恢 复系数与增压比成反比，与进气道长度成正比。采用灵敏度分析方法，研宄了进气道设计参数对性能指标的影响规律。研宄表明，设计参数间存在较强耦合特性，截短度数对进气道性能影响最显著。
提出了一种基于平板湍流边界层的改进粘性修正方法，解决了直接粘性修正方法获得的进气道构型设计方案流场结构与无粘理论流场差异较大的问题。在保证收缩比不变的情况下，提升了基准进气道综合性能，流场结构和出口流场品质得到明显改善。
主题词：Busemann进气道；高超声速；流线追踪；多目标优化设计；数值仿真；粘性修正