基于微射流的大S弯进气道闭环流动控制方法研究

The requirement of stealth for UCAV results in more compact and simpler serpentine inlet design. Due to the strong secondary flow and flow separation, such inlet has significant pressure loss, distortion and unsteadiness which severely affect the engine operation. Microjet flow control can efficiently improve its performance. In the practical applications, microjet can be adjusted in closed-loop manner to accommodate complex flight conditions. The key of closed-loop control is to extract useful signals from the strong fluctuating flow field and feed them back to the closed-loop controller. The underlying scientific problem is the acoustic characteristics of such inlet. Therefore, this project proposes an investigation on the microjet-based closed loop control method at varying Mach number conditions through direct-connect test. Research will emphasize on the acoustic characteristics and non-dimensional control response model based on fluctuation pressure.

为实现高隐身性能，无人作战飞机通常采用更为紧凑和简洁的大S弯进气道。这种进气道的典型流动特征是强二次流动和分离涡，由此造成的高总压损失、总压畸变和流场脉动对发动机造成十分不利的影响。微射流流动控制技术能极大地改善该类进气道的性能,而基于微射流的闭环控制技术能根据飞行状态进行实时调节，进而实现复杂工况下的应用。闭环控制的关键是从强脉动流场中提取有用信号并处理为反馈输出，即信号处理与控制响应模型，其关键科学问题则是大S弯进气道的声学模态及对压力脉动的影响。本项目着眼于微射流技术的工程应用，采用直连式试验，开展基于微射流的大S弯进气道闭环反馈控制方法研究，重点分析大S弯进气道的声学模态、建立基于脉动压力的无量纲控制响应模型，进而实现喉道马赫数变化条件下的闭环流动控制。

在隐身、气动和结构的综合约束下，新一代飞行器普遍使用具有大偏距的紧凑型S弯进气道，比如无人作战飞机的背负式进气道。大偏距带来的流道弯曲导致进气道出现强二次流动甚至流动分离，长度降低则导致非均匀流动的耗散距离减小，从而导致进气道的性能显著下降，需要发展工程实用的内部流动控制技术。针对这一需求，本项目研究了基于微射流的闭环流动控制方法。..首先，针对该进气道强流动分离、强旋流的问题，发展了适用于五孔探针总压和旋流测量的数据处理方法，并对出口总压、旋流畸变进行分析评估。在研究马赫数0.2~0.6范围内，进气道出口平均总压恢复系数最低0.92左右，出口局部区域最低不及0.85，存在较大总压损失区；出口流场旋流模式主要为具有微弱不对称性的单对旋涡，旋流强度最大达到近13°，最小不到7°。..其次，在马赫0.3~0.5范围内，以抑制流动分离为目标，建立了闭环流动控制方法。所发展的控制系统包括一个调节控制力的压力调节阀，一个用于计算畸变强度的动态压力传感器，一个用于计算均方根压力的信号处理器，和一个用于执行反馈控制的控制器。为了实现动态条件下的高品质闭环控制，本项目引入了一种新颖的但相对简单的无量纲反馈控制方法。该方法将控制响应的特性由原来的多平台变化转变为单调递减变化，并在不同马赫数下拥有叠加的反馈参考值。..最后，在非设计状态和动态状态对控制系统进行了测试。测试结果表明，闭环状态下分离涡可在2.9s内受到抑制，比开环状态缩短1.1s。在变马赫数状态下，通过引入分区PI控制律，控制精度提高了50%。本项目工作也表明，该控制系统可以简化为一个稳定的二阶过阻尼系统。