基于非对称马赫反射的两级压缩进气道强制起爆方法.pdf

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1、(19)国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202311825093.7(22)申请日 2023.12.27(71)申请人 厦门大学地址 361005 福建省厦门市思明区思明南路422号(72)发明人 施崇广饶洛瑜张涛朱呈祥尤延铖(74)专利代理机构 厦门南强之路专利事务所(普通合伙)35200专利代理师 马应森(51)Int.Cl.F02C 7/04(2006.01)F02C 7/00(2006.01)(54)发明名称基于非对称马赫反射的两级压缩进气道强制起爆方法(57)摘要基于非对称马赫反射的两级压缩进气道强制起爆方法，涉及高超声速两级。

2、压缩弯曲爆震发动机进气道领域。包括以下步骤：1)根据设计要求给定设计参数确定进气道肩部的位置。2)在肩部位置安装能够进行偏转的挡板，使得挡板偏转后流场波系结构能够发生变化。在挡板偏转后，基本流场可能出现两种激波反射形式：规则反射和马赫反射。3)当发动机不起爆时，根据传感器捕获的流场参数结合激波理论通过控制挡板的偏转角度保证两级压缩进气道反射激波与挡板产生的激波干扰后的反射形式为马赫反射。4)马赫杆下游的气流的压力和温度将会升高，当达到起爆要求的温度和压力时，将实现强制起爆的效果。5)在起爆完成后，挡板将收回到初始位置。权利要求书1页 说明书4页 附图4页CN 117703591 A2024.0。

3、3.15CN 117703591 A1.基于非对称马赫反射的两级压缩进气道强制起爆方法，其特征在于，包括以下步骤：1)确定进气道的基本流场，给定进气道进出口马赫数、中心体高度以及两级压缩产生的激波及其反射激波的特征；根据以上给出的条件反设计出上壁面形状后得到反射激波和上壁面的交点位置，也即进气道的肩部；2)确定肩部位置后可确定挡板安装位置，根据该位置进气道的尺寸可确定挡板的尺寸；当发动机不起爆时，控制挡板偏转，来流遇到挡板后产生激波并和下壁面的反射激波发生干扰，此时基本流场出现两种激波反射形式：规则反射和马赫反射；3)当发动机不起爆时，根据此时传感器捕获的流场参数结合激波理论控制挡板角度的偏转。

4、，保证挡板产生的激波和下壁面产生的反射激波所形成的干扰为马赫反射，从而确定挡板的偏转角度；4)马赫杆会导致下游的气流的压力和温度升高，当达到起爆要求的温度和压力时，实现强制起爆的效果；5)在起爆完成后，挡板收回到初始位置。2.如权利要求1所述基于非对称马赫反射的两级压缩进气道强制起爆方法，其特征在于，在步骤3)中，所述确定挡板的偏转角度，具体是：当发动机不起爆时，开始增加挡板的倾斜角度，考虑到激波反射的迟滞现象，根据脱体准则确定能使进气道内产生马赫反射的挡板角度，但反射的类型会受到上游和下游的静压之比影响，根据压比再对脱体准则进行修正，得到能使得规则反射转变为马赫反射的挡板角度；在形成马赫反射。

5、并满足起爆的温度和压力的情况下，需要考虑偏转角度对三波点位置的影响，通过改变三波点的位置尽可能的减小马赫杆的长度，以缩小波后亚声速区域，从而减少马赫杆所带来的总压损失。3.如权利要求2所述基于非对称马赫反射的两级压缩进气道强制起爆方法，其特征在于，所述确定挡板的偏转角度的具体步骤包括：分别对由挡板引起的规则反射下的弯曲激波和反射激波区域列写质量守恒方程、法向动量守恒方程、切向动量守恒方程、能量守恒方程：iisin jjjsin(jj)itan jjtan(jj)其中，j代表来流与激波之间的角度，j代表激波使流动发生偏转的角度，u是来流相对于激波的速度，代表密度，p代表静压，h代表焓；下标i和j。

6、分别代表波前和波后的状态；在达到脱体边界时，反射激波的特点是激波使来流的偏转角达到最大，故对于反射激波使气流发生偏转的偏转角度有如下关系：jjmax根据上述方程，求解该工况下的脱体边界，从而由入射激波使气流发生的偏转角度确定挡板的偏转角度。权利要求书1/1 页2CN 117703591 A2基于非对称马赫反射的两级压缩进气道强制起爆方法技术领域0001本发明涉及高超声速两级压缩弯曲爆震发动机进气道领域，尤其是涉及一种基于非对称马赫反射的两级压缩进气道强制起爆方法。背景技术0002弯曲爆震发动机在前体或进气道中提前喷注燃料,使其与空气预先混合达到一定程度后进入燃烧室,通过弯曲壁面诱导产生能够在高。

7、超声速气流中驻定的弯曲爆震波，该爆震波能够使燃料在短距离内完成混气燃烧释热，燃烧产物接着通过喷管膨胀加速产生推力。以上述机理为核心的弯曲震发动机具有高比冲、支持高速下的宽范围来流条件、结构紧凑等优势。0003但是由于飞行时存在马赫数较低、燃烧室反压过高、飞行攻角过大等工况，往往会导致弯曲爆震发动机产生不起爆的问题。0004国内外学者针对弯曲爆震发动机的研究并不常见，但在具有相同机理的斜爆震发动机不起爆问题已开展许多工作，主要集中在探索来流参数和燃烧室几何参数对起爆机理的研究上。详细分析了如非定常和非均匀来流的扰动影响、温度的扰动影响、楔面角度的影响、来流角度突变的影响、以及斜劈后壁面的倾斜角度。

8、影响等影响的作用机理和规律。除此之外，为改善上述问题对发动机起爆所造成的影响，近年来学者们提出改变传统的斜劈构型等措施来实现起爆控制，比如有些学者设计一种特殊构型斜劈,这种特殊构型斜劈可缩短斜劈长度，同时加速起爆；还有的学者提出了通过在斜劈表面设置鼓包和热射流来实现起爆与驻定控制，并通过数值模拟验证了控制方法的可行性；还有的学者发现通过小楔面角度和大楔面角度的配置,能够有效抑制低马赫数条件下斜爆震波的前传，同时调控高马赫数条件下斜爆震波的起爆。0005除此之外，激波反射是超声速流动中的常见现象，广泛存在于超声速和高超声速飞行器的内部和外部流场中。基于斜激波的无粘守恒方程及激波反射的流场边界条件。

9、，Von Neumann最早提出了“二激波”和“三激波”理论，对规则反射和马赫反射中各个区域的流动参数进行求解。进一步地，Von Neumann建立判别规则反射和马赫反射之间转变的准则，即Von Neumann准则和脱体准则。在此基础上Kawamura和Satto提议运用穿过激波的气流偏转角和压比的关系曲线来表示激波特征，并将其运用到流场参数求解和激波反射类型判别等工作中，极大地推动激波反射问题的研究。在定常激波反射中，对称楔面的迟滞现象主要通过改变斜劈角和来流马赫数实现。然而，除上游条件之外，BenDor等通过数值模拟研究发现，改变流场的下游条件(背压)，也会影响上游激波反射结构，并产生“反。

10、常”迟滞现象。另外Wang Li基于拟定常马赫反射中计算马赫杆高度的方法，通过积分三波点运动方向的向量场得到了三波点的运动轨迹进而得到马赫杆的高度，将马赫杆高度的数值计算结果与实验数据作比较，得到一致的结果。0006虽然目前在起爆问题的机理和控制方法上的研究有很大的进展，但是可以发现对于起爆控制方法的研究主要还是集中在对特殊构型的斜劈的提出上，对于主动控制的方法说明书1/4 页3CN 117703591 A3提出的较少。目前研究表明单纯依靠对斜劈构型的优化设计很难满足发动机更宽参数范围下的起爆要求，有必要在进气道内采用主动的起爆控制技术。鉴于目前激波反射和干扰理论的发展较为成熟，可以尝试利用经。

11、典激波理论建立主动起爆控制方法。主动起爆控制可以在进气道工作过程中根据具体流场情况调节控制方案，使起爆性能有明显的改善，控制效果显著。所以，为了解决两级压缩进气道在更宽来流参数范围下的强制起爆问题，设计一个能使得弯曲爆震发动机在更宽参数范围下起爆的主动控制方案尤为重要。发明内容0007本发明的目的在于解决现有技术中的上述问题，提供基于非对称马赫反射的两级压缩进气道强制起爆方法。0008为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：00091)确定进气道的基本流场，给定进气道进出口马赫数、中心体高度、两级压缩产生的激波及其反射激波的特征；根据以上给出的条件反设计出上壁面形状后得到反射激波和上壁面的交点。

12、位置，也即进气道的肩部；00102)确定肩部位置后可确定挡板安装位置，根据该位置进气道的尺寸可确定挡板的尺寸；挡板偏转时，来流遇到挡板后将会产生激波，该激波和下壁面的反射激波发生干扰，此时基本流场可能出现两种激波反射形式：规则反射和马赫反射；00113)当发动机不起爆时，开始增加挡板的倾斜角度，考虑到激波类型转变迟滞现象，当挡板倾角由小增大时理论上反射的构型将以规则反射的形态经过Von Neumann边界以及规则反射和马赫反射可能同时存在的双解区后在脱体边界处转变为马赫反射；但由于脱体准则只考虑来流马赫数和斜劈倾角对反射构型的影响，需要根据此时传感器捕获的来流静压与下游反压根据BenDor数值。

13、模拟所观察到的现象对脱体边界进行修正，最后得到能使得规则反射转变为马赫反射的挡板角度；除此之外，在形成马赫反射并满足起爆的温度和压力的情况下，还需要考虑偏转角度对三波点位置的影响，通过改变三波点的位置尽可能的减小马赫杆的长度，目的是为了缩小波后亚声速区域，从而减少马赫杆所带来的总压损失；00124)马赫反射相比单一的一道反射激波或者两道激波干扰形成的规则反射来说在其下游将产生更高的压力和温度，当温度和压力达到能够起爆的条件时，实现强制起爆的效果；00135)在起爆完成后，挡板收回到初始位置，防止带来更多的总压损失。0014相对于现有技术，本发明技术方案取得的有益效果是：0015本发明方法考虑到。

14、弯曲爆震两级压缩发动机在宽来流条件下难以起爆的问题给出了基于非对称马赫反射的两级压缩进气道强制起爆方法。首先，该强制起爆方法可以在进气道工作过程中根据具体流场情况调节控制方案,使发动机在更宽参数范围下起爆；其次，本发明控制思路简单，控制效果明显且工程应用潜力大。附图说明0016图1为本发明实施例所述进气道中的挡板未发生偏转时两级压缩所产生激波反射后产生一道弯曲激波的二维流场结构示意图。说明书2/4 页4CN 117703591 A40017图2为本发明实施例图1情况下进气道肩部附近位置的激波反射放大示意参考图。0018图3为本发明实施例所述进气道中的挡板发生偏转时进气道反射激波与挡板偏转所产生。

15、的激波相互干扰形成规则反射时的二维流场结构示意图。0019图4为本发明实施例图3情况下，进气道肩部附近位置激波干扰构型为规则反射构型时的进气道肩部附近位置的放大示意参考图。0020图5为本发明实施例所述进气道中的挡板发生偏转时进气道反射激波与挡板偏转所产生的激波相互干扰形成马赫反射时的二维流场结构示意图。0021图6为本发明实施例图5情况下，进气道肩部附近位置激波干扰构型为马赫反射构型时的进气道肩部附近位置的放大示意参考图。0022图7为本发明实施例所述强制起爆方法的流程示意图。具体实施方式0023为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚、明白，以下结合附图对本发明做进一步详。

16、细说明。0024本发明实施例包括以下步骤：00251)确定进气道的基本流场，给定进气道进出口马赫数、中心体高度以及两级压缩产生的激波及其反射激波的特征；根据以上给出的条件反设计出上壁面形状后得到反射激波和上壁面的交点位置，也即进气道的肩部；00262)确定肩部位置后可确定挡板安装位置，根据该位置进气道的尺寸可确定挡板的尺寸；当发动机不起爆时，控制挡板偏转，来流遇到挡板后产生激波并和下壁面的反射激波发生干扰，此时基本流场出现两种激波反射形式：规则反射和马赫反射；00273)当发动机不起爆时，根据此时传感器捕获的流场参数结合激波理论控制挡板角度的偏转，保证挡板产生的激波和下壁面产生的反射激波所形成。

17、的干扰为马赫反射，从而确定挡板的偏转角度；00284)马赫杆会导致下游的气流的压力和温度升高，当达到起爆要求的温度和压力时，实现强制起爆的效果；00295)在起爆完成后，挡板收回到初始位置。0030具体的，如图1和2所示，作为强制起爆方法中的核心部件的挡板的位置确定包含以下步骤：00311)根据设计要求给定两级压缩流场进口的两道弯曲入射激波1和一道第一反射激波2的特征。入射激波1给定激波两端的激波角以及激波曲线的函数表达式，入射激波1打在下壁面3时会产生一道第一反射激波2，给定第一反射激波2的激波角及其波后气流的分布。给定马赫数输入条件(包括来流条件、入射激波形状、中心体高度、流量捕获系数)。。

18、00322)通过上述条件可反设计出进气道上壁面，根据反射激波与上壁面4的交点可得到进气道肩部5位置，也即挡板6安装的位置。00333)根据此处进气道的尺寸确定挡板6的尺寸。0034至此，可确定挡板6的安装位置及尺寸，挡板6未偏转时收于进气道肩部5。如图37所示，随后考虑通过挡板6实现的基于非对称马赫反射的两级压缩进气道强制起爆方法：00351)当位于燃烧室7的传感器检测到起爆失败时，电机控制挡板6增加倾斜角度8产说明书3/4 页5CN 117703591 A5生由挡板引起的弯曲激波9，考虑到激波类型转变迟滞现象，当挡板6倾角由小增大时理论上反射的构型将以规则反射的形态经过Von Neumann。

19、边界以及规则反射和马赫反射可能同时存在的双解区并在脱体边界处转变为马赫反射。其中，在该工况下的脱体边界求解方法如下：0036首先，分别对由挡板引起的规则反射下的弯曲激波9和第二反射激波10区域列写质量守恒方程、法向动量守恒方程、切向动量守恒方程、能量守恒方程：0037iisin jjjsin(jj)00380039itan jjtan(jj)00400041其中 j代表来流与激波之间的角度，j代表激波使流动发生偏转的角度，u是来流相对于激波的速度，代表密度，p代表静压，h代表焓。下标i和j分别代表波前和波后的状态。0042在达到脱体边界时，第二反射激波10的特点是激波使来流的偏转角达到最大，故。

20、对于第二反射激波10使气流发生偏转的偏转角度有如下关系：0043jjmax0044根据上述方程，即可求解该工况下的脱体边界，从而由入射激波使气流发生的偏转角度确定挡板的偏转角度。0045但由于脱体准则只考虑来流马赫数和斜劈倾角对反射构型的影响，需要根据此时位于进口段11的传感器所捕获到的来流静压以及燃烧室7的传感器所捕获的下游反压根据BenDor数值模拟所观察到的现象对脱体边界进行修正。在形成马赫反射并满足起爆的温度和压力的情况下，还需考虑偏转角度对三波点12位置的影响，通过改变三波点的位置尽可能的减小马赫杆13的长度，目的是为了缩小波后亚声速区域，从而减少马赫杆13所带来的总压损失。通过上述。

21、步骤得到修正后的脱体边界极曲线，极曲线拟合函数预先存入微机中，当发生不起爆情况时可通过微机的计算得到能使得规则反射转变为马赫反射的挡板角度。00462)马赫杆会导致燃烧室7气流的压力和温度升高，当达到起爆要求的温度和压力时，将实现强制起爆的效果。00473)在起爆完成后，挡板6由电机控制收回原来的位置防止带来更多的总压损失。0048上述实施例仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。说明书4/4 页6CN 117703591 A6图1图2说明书附图1/4 页7CN 117703591 A7图3图4说明书附图2/4 页8CN 117703591 A8图5图6说明书附图3/4 页9CN 117703591 A9图7说明书附图4/4 页10CN 117703591 A10。