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吸气式高超声速飞行器多参数灵敏度分析

鞠胜军 阎超 叶志飞

鞠胜军, 阎超, 叶志飞等 . 吸气式高超声速飞行器多参数灵敏度分析[J]. 北京航空航天大学学报, 2017, 43(5): 927-934. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2016.0354
引用本文: 鞠胜军, 阎超, 叶志飞等 . 吸气式高超声速飞行器多参数灵敏度分析[J]. 北京航空航天大学学报, 2017, 43(5): 927-934. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2016.0354
JU Shengjun, YAN Chao, YE Zhifeiet al. Multi-parametric sensitivity analysis of air-breathing hypersonic vehicle[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2017, 43(5): 927-934. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2016.0354(in Chinese)
Citation: JU Shengjun, YAN Chao, YE Zhifeiet al. Multi-parametric sensitivity analysis of air-breathing hypersonic vehicle[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2017, 43(5): 927-934. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2016.0354(in Chinese)

吸气式高超声速飞行器多参数灵敏度分析

doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2016.0354
详细信息
    作者简介:

    鞠胜军, 男, 博士研究生。主要研究方向:计算流体力学及飞行器设计

    阎超, 男, 博士, 教授, 博士生导师。主要研究方向:计算流体力学

    叶志飞, 男, 硕士研究生。主要研究方向:计算流体力学及飞行器设计

    通讯作者:

    阎超, E-mail:yanchao@buaa.edu.cn

  • 中图分类号: V221.3

Multi-parametric sensitivity analysis of air-breathing hypersonic vehicle

More Information
  • 摘要:

    为实现吸气式高超声速飞行器多参数情况下的灵敏度分析及参数分类,降低设计的复杂度,在吸气式高超声速飞行器参数化建模的基础上,首先采用正交试验设计生成样本,再通过计算流体力学(CFD)进行高精度气动力性能计算,最后运用方差分析法进行气动性能的参数灵敏度分析,在运用较少的试验样本点的情况下,即可完成多参数、复杂构型条件下气动性能的参数灵敏度分析。结果表明,该方法可以正确地分析出参数对飞行器气动性能的敏感程度,得到参数对气动性能的影响规律。同时,通过灵敏度分析的计算样本,还可以初步选出气动性能较优的飞行器构型,为地面试验和优化设计提供参考。

     

  • 图 1  吸气式高超声速飞行器示意图

    Figure 1.  Schematic map of air-breathing hypersonic vehicle

    图 2  飞行器计算网格

    Figure 2.  Computational grid of aircraft

    图 3  进气道出口截面示意图

    Figure 3.  Schematic map of exit of inlet section

    图 4  灵敏度分析流程图

    Figure 4.  Flowchart of sensitivity analysis

    图 5  参数a1Hu变化对上壁面压力分布的影响

    Figure 5.  Influence of parameter a1 and Hu's change on pressure distribution of upper wall

    图 6  参数HdR2变化对进气道出口马赫数的影响

    Figure 6.  Influence of parameter Hd and R2's change on Mach number at exit of inlet

    表  1  吸气式高超声速飞行器参数列表

    Table  1.   Parameter list of air-breathing hypersonic vehicle

    参数 参数意义 原值 变化范围
    Lu1 前体上表面段相对全机长度比例 0.2 0.18~0.22
    Lu2 上表面过渡段相对全机长度比例 0.3 0.25~0.35
    Ld1 前体进气道相对全机长度比例 0.4 0.36~0.44
    Ld11 一级压缩面相对前体进气道长度比例 0.5 0.45~0.55
    Ld12 唇口相对前体进气道长度比例 0.1 0.08~0.12
    Ld2 尾喷管上表面相对全机长度比例 0.25 0.22~0.28
    Ld21 尾喷管下表面段相对尾喷管长度比例 0.1 0.08~0.12
    Hu/mm 对称面上表面高度 60 50~70
    Hd/mm 对称面下表面喉道纵向位置 280 250~310
    Hw/mm 尾喷管出口与机身上表面高度差 120 110~130
    h1/mm 进气道喉道高度 100 90~110
    h2/mm 尾喷管入口高度 120 110~130
    a1/(°) 前体进气道上表面与中心线楔角 8 6~10
    b1/(°) 前体进气道压缩面一级压缩楔角 5.5 5~6
    c1/(°) 尾喷管入口上表面张角 13 11~15
    c2/(°) 尾喷管出口上表面张角 5 3~7
    R2/mm 压缩面与喉道过渡半径 800 700~900
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    表  2  方差分析参数定义

    Table  2.   Parameter definition of variance analysis

    方差来源 自由度 平方和 均方 F
    因素A r-1 SA MA MA/ME
    误差 n-r SE ME
    总和 n-1 ST
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    表  3  试验设计及数值计算结果

    Table  3.   Results of experimental design and numerical calculation

    i Lu1 Lu2 Ld1 Ld11 Ld12 Ld2 Ld21 Hu/mm Hd/mm Hw/mm h1/mm h2/mm a1/(°) b1/(°) c1/(°) c2/(°) R2/mm CD CL Cm Ma0 m/(kg·s-1) σ0
    1 0.22 0.25 0.44 0.45 0.08 0.22 0.08 50 310 130 110 110 6 6 15 7 900 0.0491 0.0983 0.1563 3.261 10.002 0.3098
    2 0.18 0.35 0.44 0.55 0.08 0.22 0.08 70 310 110 110 130 10 5 15 7 700 0.0497 0.0536 0.0887 2.977 11.307 0.2829
    3 0.18 0.25 0.36 0.55 0.12 0.22 0.08 70 250 130 110 130 6 6 11 7 900 0.0355 0.0706 0.1242 3.255 9.575 0.3149
    4 0.18 0.25 0.44 0.45 0.12 0.28 0.08 50 250 130 110 130 10 5 15 3 700 0.0347 0.0652 0.1252 3.473 9.245 0.3500
    5 0.18 0.25 0.44 0.55 0.08 0.28 0.12 50 310 110 90 130 6 6 11 7 700 0.0399 0.0917 0.1486 2.979 9.679 0.2827
    6 0.22 0.25 0.36 0.55 0.12 0.22 0.12 70 310 110 110 110 6 5 15 3 700 0.0602 0.0728 0.1225 2.285 10.746 0.1668
    7 0.22 0.35 0.36 0.45 0.12 0.28 0.08 70 310 130 90 130 6 5 11 7 700 0.0437 0.0835 0.157 2.501 10.35 0.1973
    8 0.18 0.35 0.44 0.45 0.08 0.28 0.12 70 310 130 110 110 6 5 11 3 900 0.0459 0.1008 0.1726 3.165 10.383 0.2977
    9 0.22 0.25 0.44 0.55 0.08 0.22 0.12 70 250 130 90 130 10 5 11 3 900 0.0411 0.0591 0.096 3.319 7.749 0.3116
    10 0.22 0.35 0.44 0.55 0.12 0.22 0.08 50 310 130 90 110 10 6 11 3 700 0.048 0.0562 0.0993 2.961 10.765 0.3015
    11 0.18 0.35 0.44 0.55 0.12 0.28 0.08 70 250 110 90 110 6 6 15 3 900 0.0333 0.0918 0.1548 3.339 7.715 0.3153
    12 0.18 0.25 0.36 0.55 0.12 0.28 0.12 50 310 130 90 110 10 5 15 7 900 0.0540 0.0789 0.159 2.235 10.222 0.1801
    13 0.22 0.25 0.44 0.45 0.12 0.28 0.12 70 250 110 110 110 10 6 11 7 700 0.0387 0.0594 0.0914 3.535 8.401 0.3387
    14 0.22 0.35 0.36 0.55 0.08 0.28 0.12 50 250 130 110 130 6 6 15 3 700 0.0339 0.0788 0.1568 3.245 9.63 0.3166
    15 0.22 0.35 0.44 0.45 0.12 0.22 0.12 50 250 110 90 130 6 5 15 7 900 0.0352 0.083 0.1278 3.354 7.864 0.3277
    16 0.22 0.35 0.36 0.55 0.08 0.28 0.08 50 250 110 110 110 10 5 11 7 900 0.0409 0.0563 0.1188 3.087 9.653 0.2867
    17 0.18 0.35 0.36 0.45 0.12 0.22 0.12 50 310 110 110 130 10 6 11 3 900 0.0534 0.0638 0.111 2.749 10.776 0.2193
    18 0.22 0.25 0.36 0.45 0.08 0.28 0.08 70 310 110 90 130 10 6 15 3 900 0.0541 0.0768 0.1307 2.692 9.379 0.2173
    19 0.18 0.35 0.36 0.45 0.08 0.22 0.12 70 250 130 90 110 10 6 15 7 700 0.0455 0.0738 0.1275 3.24 7.946 0.2963
    20 0.18 0.25 0.36 0.45 0.08 0.22 0.08 50 250 110 90 110 6 5 11 3 700 0.0408 0.0898 0.1681 3.323 9.535 0.4239
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    表  4  阻力系数方差分析结果

    Table  4.   Variance analysis results of drag coefficient

    方差来源 自由度 平方和/10-3 均方/10-3 F
    Ld1 1 0.108 0.108 14.552**
    Ld2 1 0.078 0.078 10.493**
    a1 1 0.091 0.091 12.266**
    h2 1 0.062 0.062 8.375*
    Hd 1 0.701 0.701 94.753**
    eTotal 14 0.096 0.007
    TTotal 19 1.159 0.061
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    表  5  升力系数方差分析结果

    Table  5.   Variance analysis results of lift coefficient

    方差来源 自由度 平方和/10-3 均方/10-3 F
    Ld2 1 0.193 0.193 13.143**
    Ld11 1 0.358 0.358 24.314**
    Ld12 1 0.145 0.145 9.8327*
    c1 1 0.087 0.087 5.9355*
    Lu1 1 0.156 0.156 10.577*
    R2 1 0.149 0.149 10.127*
    a1 1 2.376 2.376 161.44**
    h1 1 0.211 0.211 14.353**
    h2 1 0.135 0.135 9.1858*
    Hd 1 0.118 0.118 8.0238*
    eTotal 9 0.132 0.015
    TTotal 19 4.061 0.214
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    表  6  俯仰力矩系数方差分析结果

    Table  6.   Variance analysis results of pitch moment coefficient

    方差来源 自由度 平方和/10-3 均方/10-3 F
    Ld2 1 1.872 1.872 5.9411*
    a1 1 5.818 5.818 18.461**
    eTotal 17 5.357 0.315
    TTotal 19 13.047 0.687
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    表  7  进气道出口马赫数方差分析结果

    Table  7.   Variance analysis results of Mach number at exit of inlet

    方差来源 自由度 平方和 均方 F
    Ld1 1 0.704 0.704 35.23**
    Ld11 1 0.130 0.130 6.4984*
    Ld12 1 0.128 0.128 6.418*
    Hd 1 1.439 1.439 72.07**
    eTotal 15 0.300 0.020
    TTotal 19 2.700 0.142
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    表  8  进气道出口截面流量方差分析结果

    Table  8.   Variance analysis results of mass at exit of inlet section

    方差来源 自由度 平方和 均方 F
    Hd 1 13.278 13.278 24.61**
    eTotal 18 9.712 0.540
    TTotal 19 22.989 1.210
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    表  9  进气道出口截面总压恢复系数方差分析结果

    Table  9.   Variance analysis results of total pressure recovery coefficient at exit of inlet section

    方差来源 自由度 平方和/10-3 均方/10-3 F
    Hd 1 34.128 34.128 15.247**
    eTotal 18 40.291 2.238
    TTotal 19 74.419 3.917
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    表  10  参数灵敏度分析统计结果

    Table  10.   Statistic results of parametric sensitivity analysis

    气动参数 灵敏度分析结果
    CD 显著:h2
    极显著:HdLd1a1Ld2
    CL 显著:Lu1R2Ld12h2Hdc1
    极显著:a1Ld11h1Ld2
    Cm 显著:Ld2
    极显著:a1
    Ma0 显著:Ld11Ld12
    极显著:HdLd1
    m 极显著:Hd
    σ0 极显著:Hd
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    表  11  设计参数分类

    Table  11.   Class of design parameters

    出现次数 参数
    2及以上 Ld1Ld11Ld12Ld2Hda1, h2
    1 Lu1h1c1R2
    0 Lu2Ld21HuHwc2b1
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    表  12  参数a1灵敏度验证样本

    Table  12.   Samples of parametric a1 sensitivity validation

    样本 参数 升力系数
    1 a1=6°,Hu=60mm 0.070578
    2 a1=8°,Hu=60mm 0.059470
    3 a1=10°,Hu=60mm 0.047523
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    表  13  参数Hu灵敏度验证样本

    Table  13.   Samples of parametric Hu sensitivity validation

    样本 参数 升力系数
    1 a1=8°, Hu=50mm 0.060349
    2 a1=8°, Hu=60mm 0.059470
    3 a1=8°, Hu=70mm 0.058597
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    表  14  参数Hd灵敏度验证样本

    Table  14.   Samples of parametric Hd sensitivity validation

    样本 参数 进气道出口马赫数
    1 Hd=250mm,R2=800mm 2.763
    2 Hd=280mm,R2=800mm 3.087
    3 Hd=310mm,R2=800mm 3.269
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    表  15  参数R2灵敏度验证样本

    Table  15.   Samples of parametric R2 sensitivity validation

    样本 参数 进气道出口马赫数
    1 Hd=280mm,R2=700mm 3.087
    2 Hd=280mm,R2=800mm 3.087
    3 Hd=280mm,R2=900mm 3.089
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    表  16  样本点与原始外形的气动性能差值百分比

    Table  16.   Percentage of difference between samples and original shape in terms of aerodynamic performance

    i 差值百分比
    CD CL Cm Ma0 m
    1 -26.96 65.29 52.06 -5.64 -2.09
    2 -28.51 -9.87 -13.71 3.56 10.69
    3 8.21 18.72 20.83 -5.44 -6.27
    4 10.28 9.64 21.80 -12.50 -9.50
    5 -3.17 54.20 44.57 3.50 -5.25
    6 -55.66 22.41 19.18 25.98 5.20
    7 -13.00 40.41 52.74 18.98 1.32
    8 -18.68 69.50 67.92 -2.53 1.64
    9 -6.27 -0.62 -6.61 -7.52 -24.14
    10 -24.11 -5.50 -3.40 4.08 5.38
    11 13.90 54.36 50.60 -8.16 -24.47
    12 -39.63 32.67 54.68 27.60 0.07
    13 -0.07 -0.12 -11.08 -14.51 -17.76
    14 12.34 32.50 52.54 -5.12 -5.73
    15 8.98 39.57 24.33 -8.65 -23.02
    16 -5.76 -5.33 15.58 0 -5.50
    17 -38.08 7.28 7.99 10.95 5.49
    18 -39.89 29.14 27.15 12.80 -8.18
    19 -17.65 24.10 24.04 -4.96 -22.21
    20 -5.50 51.00 63.54 -7.64 -6.66
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出版历程
  • 收稿日期:  2016-04-28
  • 录用日期:  2016-05-20
  • 刊出日期:  2017-05-20

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