一种矩形超音速喷嘴及其设计方法技术

本发明专利技术涉及一种矩形超音速喷嘴及其设计方法，结合可压缩流体在一维变截面管道中的运动原理与马赫波反射原理设计喷嘴的内部型腔，型腔曲面上面与型腔曲面下面关于水平面对称，型腔曲面左面与型腔曲面右面关于垂直面对称；型腔曲面上面、型腔曲面右面、型腔曲面下面和型腔曲面左面闭合形成截面均为矩形扁缝状的筒体。由收缩段亚音速加速区、喉部音速区、扩张段前段超音速加速区和扩张段后段超音速平行区组合成。喷涂加工时能够大量降低喷涂粒子的相互重叠，改善工件表面涂层的均匀性，提高冷喷涂质量；可在其进出口压差较小的情况下获得速度和温度分布均匀的超音速射流，保证喷嘴内外流场无激波的出现，以达到理想的喷风或喷涂效果。

A rectangular supersonic nozzle and its design method

The present invention relates to a rectangular supersonic nozzle and its design method. Combining the movement principle of compressible fluid in one-dimensional variable cross-section pipe with the reflection principle of Mach wave, the internal cavity of the nozzle is designed. The surface of the cavity is symmetrical with the horizontal plane below the surface of the cavity, and the left surface of the cavity and the right surface of the cavity are symmetrical with the vertical plane. Symmetry; the upper surface of the cavity, the right surface of the cavity, the lower surface of the cavity and the left surface of the cavity are closed to form a rectangular flat slit-shaped cylinder. It is composed of the subsonic acceleration region of the systolic segment, the laryngeal sonic region, the supersonic acceleration region of the anterior segment and the supersonic parallel region of the posterior segment. Spraying process can greatly reduce the overlap of spraying particles, improve the uniformity of the workpiece surface coating, improve the quality of cold spraying; can get the supersonic jet with uniform velocity and temperature distribution under the condition of small pressure difference between the inlet and outlet, ensure that there is no shock wave in the flow field inside and outside the nozzle, in order to achieve the ideal spraying wind or spraying. Coating effect.

【技术实现步骤摘要】
一种矩形超音速喷嘴及其设计方法
本专利技术涉及超音速喷嘴，尤其涉及一种矩形超音速喷嘴及其设计方法。
技术介绍
目前超音速喷嘴的应用非常广泛，例如，超音速冷喷涂技术中采用超音速喷嘴将喷涂粒子通过超音速载气加速到300m/s-1200m/s后撞击基板并沉积在其表面上，从而形成一层致密涂层。但是，目前大量使用的圆形截面超音速喷嘴存在：出口半径调整余地不大，难以喷涂较细直径的旋转体工件等缺点；并且工作时工件表面上的粒子重叠现象严重，致使工件表面的涂层不均匀，使冷喷涂质量大大降低。现有三段折线式圆形超音速喷嘴在工作时其出口处气流速度方向不平行，气流不易集中且风速衰减迅速，并且利用该喷嘴对长定尺型钢进行喷风淬火时，出口截面直径限制了喷风效果，导致型钢表面温度与硬度变化不均匀。在喷涂加工中，由于喷嘴出口截面为圆形，在对工件表面进行喷涂加工时工件表面粒子重叠现象严重，致使工件表面的涂层不均匀。
技术实现思路
为了克服现有技术的不足，本专利技术提供一种矩形超音速喷嘴及其设计方法。在进行喷涂加工时能够大量降低喷涂粒子的相互重叠，改善工件表面涂层的均匀性，从而提高冷喷涂质量；可在其进出口压差较小的情况下获得速度和温度分布均匀的超音速射流，保证喷嘴内外流场无激波的出现，以达到理想的喷风或喷涂效果。为了达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案实现：一种矩形超音速喷嘴，由型腔曲面上面、型腔曲面下面、型腔曲面左面和型腔曲面右面组成；型腔曲面上面与型腔曲面下面关于水平面XOY对称，型腔曲面左面与型腔曲面右面关于垂直面XOY对称；型腔曲面上面、型腔曲面右面、型腔曲面下面和型腔曲面左面闭合形成截面均为矩形扁缝状的筒体；喷嘴沿X轴方向依次分为收缩段亚音速加速区、喉部音速区、扩张段前段超音速加速区和扩张段后段超音速平行区；筒体前端为入口截面，后端为出口截面，中部尺寸最小截面为喉部截面。高压可压缩气体从入口截面进入喷嘴，经过收缩段亚音速加速区使气体膨胀、速度增加，当气体到达喉部音速区时速度加速到当地音速；之后气体在扩张段前段超音速加速区继续膨胀使气体加速到超音速；当气体到达扩张段后段超音速平行区时，该段内壁的影响消除每一条达到其上的膨胀波，使波不再继续反射，最终出口处气流方向垂直于出口截面，成为平行气流。高压可压缩流体，不仅包括空气，也包括其它可压缩气体。一种矩形超音速喷嘴的设计方法，具体包括如下步骤：(1)根据工况要求确定需要的尺寸参数：确定收缩段长度L1、入口宽度b1、入口高度h1、出口宽度b2、出口高度h2以及出口所需要的马赫数Ma2；为了保证气体流动的连续性取b1≥b2，h1≥h2；(2)确定喉部截面面积S*：依据出口截面与喉部截面的面积比C与马赫数Ma2之间的关系函数确定喉部截面面积S*,关系函数用如下公式表示：式中：C-出口截面与喉部截面的面积比S2-出口截面面积S*-喉部截面面积Ma2-喷嘴出口马赫数K-气体的比热容比(3)确定喉部截面矩形的高和宽：依据如下公式，确定喉部截面矩形的高和宽：式中：S2-出口截面面积S*-喉部截面面积h2-出口截面矩形高b2-出口截面矩形宽h*-出口截面矩形高b*-出口截面矩形宽(4)整条曲线MABC的设计方法如下：结合步骤(1)、步骤(3)中数据b1、h1、b*、h*、L1，利用修改后的维托辛斯基公式设计平面XOY上收缩段曲线MA，使喉部区域气流流速均匀且达到音速；(5)确定最大膨胀角的位置B以及扩张段初始膨胀区曲线AB：根据最大膨胀角与普朗特-迈耶角的关系确定最大膨胀角的位置B，依据克朗方法设计出平面XOY上扩张段初始膨胀区曲线AB；使气流在曲线AB段内加速并保证在B点处达到泉流；(6)BC段内壁消除每一条到达其上的膨胀波：BC段内壁消除每一条到达其上的膨胀波，使BC段和出口得到具有一定超音速的平行于喷嘴出口截面法线的平行气流，利用马赫线反射原理设计出平面XOY曲线BC；(7)连接曲线AB和BC即得到曲线ABC，然后连接曲线MA与曲线ABC得到曲线MABC，并作出其关于x轴对称的曲线M′A′B′C′，最后连接M、M′点和C、C′点，得到封闭面域面1；(8)同理可以求解出平面XOZ内的曲线M1A1B1C1和封闭面域面②；(9)分别对步骤(7)和步骤(8)中得到的面①和面②进行z向和y向的对称拉伸，得到的相贯线即矩形超音速喷嘴的型腔曲线。步骤(4)中，修改后的维托辛斯基公式如下：式中：R1在之间取值；步骤(5)中，具体包括如下步骤：A、将步骤(2)中代入如下公式：求得平面XOY内等效出口马赫数Ma2'；B、根据普朗特-迈耶角v与Ma数的关系式：确定与出口马赫数相应的普朗特-迈耶角v2，其中关于v2的选取也可以查询相应的普朗特-迈耶函数表；C、按富尔士公式：计算最大膨胀角βB(以弧度计)，根据B点处的普朗特-迈耶角公式：vB＝(v2-βB)可确定B点处的马赫数MaB；D、假设前段曲线AB已经保证B点处达到泉流，可由公式：确定喉部泉流的音速半径E、由公式：确定B点处的泉流半径rB；F、由公式：yB＝rB·sin(βB)计算B点的y向坐标值，由公式：计算得到B点的x向的坐标值；G、按克朗方法确定AB段的曲线：步骤(6)中，具体包括步骤：A、确定曲线BE上的任意M点的位置,根据马赫数Ma与马赫角μ的关系式：可得马赫角μ为：而M点处的泉流半径与喉部泉流半径r0之比为：则可确定出M点处的泉流半径r,式中Ma为M点处的马赫数由M点处的普朗特-迈耶角v＝(v2-β)确定，式中β为M点的泉流半径r与x轴的夹角，在(0，βB)之间取值；对于给定的β，就可以得到对应的v值，相应的M和r也就随之确定；由于β可在(0，βB)中任意取值，取一系列的βi角，从而间接得到相应的一系列Mi点的坐标，因而BE线上的每一点都是确定的；B、由于在径向r与rB之间的流量为:ρur(β-βB)，并且这些流量会全部通过MN线，而通过MN线的流量为ρulsinμ从而MN的长度由如下公式计算出；l＝(βB-β)·r·sinμ＝(βB-β)·r·Ma；C、依据如下公式：xN＝xB+(|O′xM|-|O′xB|)+|xMxN|yN＝yM++|yMyN|得出N点的：xN＝xB+r·cosβ-rB·cosβB+l·cos(β+μ)，yN＝r·sinβ+l·sin(β+μ)；因BE线上的每一个M点在BC线上都会有一个N点与之对应，故BC线也是确定的，βi角取得越多越密集则BC段曲线越精确。步骤(9)中，具体包括步骤：A、利用制图软件，在XOY平面上画出完整的曲线MC；B、做与曲线MC关于平面XOZ对称的曲线M′C′；C、连接曲线MC与曲线M′C′使其围成封闭环①；D、将封闭环①沿z方向对称拉伸一定的长度得到环形曲面①；E、同理在平面XOY上作出完整的曲线M1C1与M1′C1′，连接2条曲线得到封闭环②,将封闭环②沿y方向对称拉伸一定的长度得到环形曲面②；F、利用制图软件中曲面合并命令，对环形曲面①与环形曲面②进行合并操作并删除多余的面使之成为封闭的曲面，最终所形成的封闭面即矩形超音速喷嘴的型腔曲面。与现有方法相比，本专利技术的有益效果是：(1)本专利技术提供的超音速喷嘴出口截面为具有一定的宽高比的矩形，相对于现有的三段折线式出口截面为圆形的喷嘴，在进行喷涂加工时能够大本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种矩形超音速喷嘴，其特征在于，由型腔曲面上面、型腔曲面下面、型腔曲面左面和型腔曲面右面组成；型腔曲面上面与型腔曲面下面关于水平面XOY对称，型腔曲面左面与型腔曲面右面关于垂直面XOY对称；型腔曲面上面、型腔曲面右面、型腔曲面下面和型腔曲面左面闭合形成截面均为矩形扁缝状的筒体；喷嘴沿X轴方向依次分为收缩段亚音速加速区、喉部音速区、扩张段前段超音速加速区和扩张段后段超音速平行区；筒体前端为入口截面，后端为出口截面，中部尺寸最小截面为喉部截面。

【技术特征摘要】
1.一种矩形超音速喷嘴，其特征在于，由型腔曲面上面、型腔曲面下面、型腔曲面左面和型腔曲面右面组成；型腔曲面上面与型腔曲面下面关于水平面XOY对称，型腔曲面左面与型腔曲面右面关于垂直面XOY对称；型腔曲面上面、型腔曲面右面、型腔曲面下面和型腔曲面左面闭合形成截面均为矩形扁缝状的筒体；喷嘴沿X轴方向依次分为收缩段亚音速加速区、喉部音速区、扩张段前段超音速加速区和扩张段后段超音速平行区；筒体前端为入口截面，后端为出口截面，中部尺寸最小截面为喉部截面。2.根据权利要求1所述的一种矩形超音速喷嘴，其特征在于，高压可压缩气体从所述入口截面进入喷嘴，经过收缩段亚音速加速区使气体膨胀、速度增加，当气体到达喉部音速区时速度加速到当地音速；之后气体在扩张段前段超音速加速区继续膨胀使气体加速到超音速；当气体到达扩张段后段超音速平行区时，该段内壁的影响消除每一条达到其上的膨胀波，使波不再继续反射，最终出口处气流方向垂直于出口截面，成为平行气流。3.一种矩形超音速喷嘴的设计方法，其特征在于，具体包括如下步骤：(1)根据工况要求确定需要的尺寸参数：确定收缩段长度L1、入口宽度b1、入口高度h1、出口宽度b2、出口高度h2以及马赫数Ma2；取b1≥b2，h1≥h2；(2)确定喉部截面面积S*：依据出口截面与喉部截面的面积比C与马赫数Ma2之间的关系函数确定喉部截面面积S*,关系函数用如下公式表示：式中：C-出口截面与喉部截面的面积比S2-出口截面面积S*-喉部截面面积Ma2-喷嘴出口马赫数K-气体的比热容比(3)确定喉部截面矩形的高和宽：依据如下公式，确定喉部截面矩形的高和宽：式中：S2-出口截面面积S*-喉部截面面积h2-出口截面矩形高b2-出口截面矩形宽h*-出口截面矩形高b*-出口截面矩形宽(4)整条曲线MABC的设计方法如下：结合步骤(1)、步骤(3)中数据b1、h1、b*、h*、L1，利用修改后的维托辛斯基公式设计平面XOY上收缩段曲线MA，使喉部区域气流流速均匀且达到音速；(5)确定最大膨胀角的位置B以及扩张段初始膨胀区曲线AB：根据最大膨胀角与普朗特-迈耶角的关系确定最大膨胀角的位置B，依据克朗方法设计出平面XOY上扩张段初始膨胀区曲线AB；(6)BC段内壁消除每一条到达其上的膨胀波：BC段内壁消除每一条到达其上的膨胀波，使BC段和出口得到具有一定超音速的平行于喷嘴出口截面法线的平行气流，利用马赫线反射原理设计出平面XOY曲线BC；(7)连接曲线AB和BC即得到曲线ABC，然后连接曲线MA与曲线ABC得到曲线MABC，并作出其关于x轴对称的曲线M′A′B′C′，最后连接M、M′点和C、C′点，得到封闭面域面1；(8)同理可以求解出平面XOZ内的曲线M1A1B1C1和封闭面域面②；(9)分别对步骤(7)和步骤(8)中得到的面①和面②进行z向和y向的对称拉伸，得到的相贯线即矩形超音速喷嘴的型腔曲线。4.根据权利要求3所述的一种矩形超音速喷嘴的...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋华，汪洋，付丽华，杨建，高明昕，张影，
申请(专利权)人：辽宁科技大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21