主動流動控制下載荷分離對進氣道流場的影響研究

摘" 要：該文針對由于工程約束載荷艙布置在進氣道前方的內外流耦合載荷投放分離問題，運用計算空氣動力學耦合六自由度模型和動態嵌套網格技術模擬載荷投放分離過程，并使用主動流動控制方法改善流場，分析評估有無主動流動控制時內外流耦合一體的載荷投放分離運動特性及對內流進氣道流場的影響。結果表明，主動流動控制可將進氣道畸變指數DC（60）由0.561 2降至0.465 8，主動流動控制對改善進氣道流場品質有較大收益。

關鍵詞：內埋載荷分離；進氣道流場；嵌套網格；氣動干擾；主動流動控制

中圖分類號：V211.3" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）25-0021-04

Abstract： In this paper， aiming at the problem of coupled load release and separation of internal and external flow in front of the inlet due to engineering constraints， the computational aerodynamic coupled six-degree-of-freedom model and dynamic nested grid technique are used to simulate the process of load release and separation， and the active flow control method is used to improve the flow field. The motion characteristics of load release separation of internal and external flow coupling with or without active flow control and its influence on the flow field of internal flow inlet are analyzed and evaluated. The results show that the distortion index DC（60） of the inlet can be reduced from 0.561 2 to 0.465 8 by active flow control， and the active flow control can improve the quality of inlet flow field.

Keywords： embedded load separation; inlet flow field; nested grid; aerodynamic interference; active flow control

當飛行器受到工程約束，進氣道不得不布置于武器彈艙后方時，就不可避免地發生載荷投放分離過程影響進氣道流場的情況。針對這種問題，采用主動流動控制可以實現對流場的精準調控，改善進氣道流場，減少載荷干擾，提升整體分離性能[1-6]。

1" 數值計算方法

2" 模型與網格

針對某型飛行器開展內外流耦合的載荷投放分離特性研究，該飛行器布局如圖1所示，內埋載荷艙布置于進氣道前方，載荷投放過程會影響進氣道的正常工作，進而影響發動機乃至整個飛行器的飛行性能。所以本研究在進氣道設置監測面，在模擬載荷投放分離過程中監測進氣道流場品質的變化情況，針對惡劣情況采取一些改進措施。

采用嵌套網格計算時，將飛行器與投放載荷分別建模并生成網格（圖2），在進氣道內使用較密的結構網格，確保內流場的模擬精度；并在彈艙下方設置網格加密區，確保對載荷投放過程中流場的精確捕捉，從而提高內外流耦合的CFD數值仿真的精確性。

3" 無主動流動控制的計算結果分析

基于上述介紹的模型與網格，使用計算空氣動力學耦合六自由度方法及動態嵌套網格技術，對內外流耦合一體的載荷投放分離過程進行數值模擬。圖3為投放分離過程一些時刻的載荷壓力系數分布圖。

由進氣道監測面觀察載荷投放分離過程中進氣道流場品質變化情況如圖4所示，在整個投放分離過程中，由于載荷塊下落對來流有著很大的遮擋，并且尾流對于后方進氣道產生很大的影響，畸變指數DC（60）激增，總壓恢復系數σ陡降，直到0.4 s載荷逐漸遠離飛行器，進氣道參數才逐漸恢復到初始水平。在投放分離過程中，進氣道畸變指數DC（60）最大達到了0.561 2，總壓恢復系數最小達到了0.887 2，在極值情況下對于發動機的正常工作有著不小的挑戰。

4" 加入主動流動控制的計算結果分析

4.1" 射流速度100 m/s下計算結果分析

在投放分離過程中進氣道畸變指數DC（60）達到了高峰值0.561 2，這不僅會降低壓氣機效率，增加喘振風險，還可能影響整個發動機的性能。因此，迫切需要通過一些措施來解決這些問題，確保發動機的正常運行和整個飛行任務的成功。

而主動流動控制由于其可做到對流場的精準調控，并且被用于動態調整載荷分離軌跡[10]，非常適合用來優化載荷分離過程，改善進氣道流場[11]，減少載荷干擾[12]，提升整體分離性能。本研究在載荷艙后方布置噴嘴，以一條氣簾的形式來實現對于載荷分離流場及后方進氣道流場的主動流動控制，該裝置如圖5所示。在載荷艙后方加入射流控制，可以緩解載荷塊對來流遮擋的影響，改變了載荷后方渦流的結構，減少其縱向尺寸，使得原本較大的低速區域得到了有效抑制。

如圖5所示，噴嘴與飛行器下表面90°垂直向下吹氣。當設定合適的入口總壓、總溫與靜壓條件后，亞聲速氣流便進入噴嘴，在收縮段速度增加，壓強減小，然后流經等面積段，在這里氣流速度保持穩定。最終，氣流從噴嘴出口流出，形成壓強與外部一致的高速射流。

設置噴嘴噴射氣流速度為100 m/s，進行內外流耦合一體的載荷投放分離數值模擬，計算結果中的進氣道流場參數變化如圖6所示。可以看出，加入主動流動控制前后進氣道流場的變化趨勢一致，而在該射流配置下總壓恢復系數谷值0.895 3相較于之前的0.887 2稍有提升，進氣道畸變指數DC（60）峰值只有0.465 8，相較于之前的0.561 2有了相當明顯的降低，說明了主動流動控制對改善進氣道流場具有顯著效果。

4.2" 不同射流配置的計算結果分析

在加入100 m/s的射流后，分離過程中進氣道監測面的畸變指數DC（60）峰值有了明顯的降低。繼續改變射流配置，如圖7所示，將噴嘴方向改變為與水平線夾角為60°和15°，繼續對100、200、300 m/s 3個速度的載荷分離數值仿真計算。

不同射流配置的計算結果綜合對比如圖8所示。首先，關于總壓恢復系數的變化趨勢，大多數結果顯示出了相對一致的模式，但在15°射流角度且射流速度為100 m/s的配置中，總壓恢復系數σ在0.2 s到0.4 s的時間段內經歷了明顯的振蕩，并在0.31 s時達到了最小值。

從畸變指數DC（60）來看，15 °射流角度和100 m/s射流速度的配置在0.2到0.4 s間同樣顯示出了劇烈的振蕩，畸變指數DC（60）急劇上升，表示這一射流參數在此階段可能導致了顯著的進氣道流場畸變。除此之外，其他配置在大約0.18 s時達到峰值，但所有的峰值均低于未加射流的情況。在這些結果中，射流角度為90°且射流速度為200 m/s的配置表現出了最低的畸變指數DC（60）峰值，達到了0.462，表明該角速組合在減少進氣道流場畸變方面效果最為顯著。

綜合分析了不同射流配置對載荷分離過程的影響后，可以得出以下結論：射流配置的選擇應當根據特定的性能需求來確定。如果目標是最小化畸變指數DC（60），那么90°射流角度200 m/s射流速度的配置可能更為合適，其DC（60）峰值最低為0.462，這種配置能夠在不引入過多流場擾動的情況下，維持進氣道內的流場品質；若追求顯著提高總壓恢復系數σ值，從而優化整體流場質量，那么60°射流角度300 m/s射流速度的配置將是首選，其σ最小值為0.906 3，證明該配置條件下流動損失最小，這樣的配置有助于在增強流場穩定性的同時，提高氣動效率。

5" 結束語

本文針對由于工程約束載荷艙布置在進氣道之前的內外流耦合載荷投放分離問題，運用計算流體力學耦合六自由度方法及動態嵌套網格技術模擬投放過程，而后針對載荷投放對進氣道流場影響較大的問題，采用主動流動控制方法加以改善，分析了不同射流配置對進氣道流場的影響。

在綜合分析了不同射流配置對載荷分離過程的影響后，研究得出以下結論和建議：射流配置的選擇應當根據特定的性能需求來確定。如果目標是最小化畸變指數DC（60），那么90°射流角度200 m/s射流速度的配置可能更為合適；若追求顯著提高總壓恢復系數σ值，從而優化整體流場質量，那么60°射流角度300 m/s射流速度的配置將是首選。

本文的計算分析為不同的射流配置策略提供了量化的參考和建議，希望為工程實際作出一些理論支持和方案參考。

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