一种圆形截面转矩形截面的风洞收缩段设计方法技术

本发明专利技术涉及流体力学领域，具体涉及一种圆形截面转矩形截面的风洞收缩段设计方法，包括以下步骤，步骤1：分析收缩段入口和出口形状的模型特征，确定入口和出口形状的映射关系；步骤2：设定流向控制曲线的控制参数，确定流向控制曲线；步骤3：根据步骤1确定的映射关系和步骤2得到的流向控制曲线，利用线性加权的方式，确定从入口截面到出口截面的截面在流向上的外形函数，并获得三维外形离散坐标；步骤4：将获得的三维外形离散坐标导入到三维数模软件进行建模，获得圆形截面转矩形截面收缩段的三维外形。本发明专利技术可以实现丰富的外形变化，满足各类需求的收缩段外形设计，进而实现收缩段三维外形的精细化控制。维外形的精细化控制。维外形的精细化控制。

【技术实现步骤摘要】
一种圆形截面转矩形截面的风洞收缩段设计方法


[0001]本专利技术涉及流体力学领域，具体涉及一种圆形截面转矩形截面的风洞收缩段设计方法。

技术介绍

[0002]风洞是利用流体力学相似率的原理，对飞行器或者其它物体周围的气流流动情况进行模拟的一种管道状设备。运行时，从上游以人工的方式产生并且控制气流，利用测量设备量度气流对实体的作用效果以及观察物理现象，进而得到物体在真实流场中运动情况，它是进行空气动力实验最常用、最有效的工具之一。
[0003]风洞是飞行器及其动力系统研制不可或缺的重要技术，是展现一个国家科学技术水平的重要组成部分。通过风洞手段测试，可大大降低经济成本，实验周期也会大幅缩短，在国防军事和国民经济发挥着重要作用。
[0004]跨音速叶栅风洞一般由高压气源系统、扩压器、稳定段、收缩段、喷管段、实验段、排气收集器以及控制系统组成。为了满足叶栅实验需求，喷管段一般采用二元型面喷管，即喷管入口截面为矩形截面。而在上游，因为结构和气动需求，稳定段需要设计为圆形截面的流道。因此，在跨声速叶栅风洞中，收缩段的主要作用是将来自稳压段的气流导入喷管进口，将稳压段圆形截面尺寸平滑地过渡到喷管段入口截面尺寸。即从外形上，由圆形截面过渡到矩形截面；从气动上，将稳定段来流导入喷管，以匹配喷管入口来流需求。
[0005]目前并没有专门介绍关于收缩段的设计方法，在实际设计中，多是采用以下两种方法：一种方法是依赖于设计人员的工程经验，利用经验判断，经过反复调整截面的过渡方式，以获得经验外形；另一种方法是依赖于现代技术的发展，利用CAD设计软件进行外形设计，多是通过曲面放样的方式实现外形的过渡，这些是有软件内置的算法实现的，不易于精细化控制。

技术实现思路

[0006]针对现有技术存在的缺陷，本专利技术提出一种圆形截面转矩形截面的风洞收缩段设计方法，其优点为能对几何外形过渡实现精细化控制，满足各类收缩段的设计需求。其效果图如图2所示，其坐标系定义为流向为x轴，纵向为y轴，z轴方向由右手定则给出。
[0007]为了实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案如下：
[0008]一种圆形截面转矩形截面的风洞收缩段设计方法，包括以下步骤：
[0009]步骤1：分析收缩段入口和出口形状的模型特征，确定入口和出口形状的映射关系；
[0010]步骤2：设定流向控制曲线的控制参数，确定流向控制曲线；
[0011]步骤3：：根据步骤1确定的映射关系和步骤2得到的流向控制曲线，利用线性加权的方式，确定从入口截面到出口截面的截面在流向上的外形函数，并获得三维外形离散坐标；
[0012]步骤4：将获得的三维外形离散坐标导入到三维数模软件进行建模，获得圆形截面转矩形截面收缩段的三维外形。
[0013]优选地，在上述步骤1中，
[0014]步骤101：将出口的矩面分割成四个区域，并确定有四个拐点和四段曲线，将入口的圆面分割成四个区域，该区域的四个“拐点”和四条曲线待定；
[0015]步骤102：根据收缩段的入口和出口形状的模型特征，建立入口区域到出口区域的映射关系；
[0016]步骤103：根据步骤101已经确定出口的四个“拐点”和四段曲线，采用面积映射或角度映射确定入口的四个拐点和四段曲线。
[0017]优选地，根据步骤101所述，入口的圆面过圆心分割成1号区域、2号区域、3号区域和4号区域，出口的矩面沿对角线分割成的1
′
号区域、2
′
号区域、3
′
号区域和4
′
号区域。
[0018]优选地，在上述步骤103中，面积映射包括以下步骤：
[0019]步骤2101：根据几何原理，出口的1
′
号区域、2
′
号区域、3
′
号区域和4
′
号区域的面积相等，确定入口的1号区域、2号区域、3号区域和4号区域面积相等；
[0020]步骤2102：设定圆形的半径为R，根据步骤1得到的四个区域的对角线，其中入口的对角线与z轴形成的角度为θ
c1
，出口的对角线与z轴形成的角度为θ
c2
；
[0021]步骤2103：根据等分圆周可得：θ
c1
＝π/4，根据矩形几何原理可得：θ
c2
＝arctan(b/a)，在入口到出口的映射中，映射角度线性变化，即θ
c
＝θ
c1
+(θ
c2
‑
θ
c1
)x/L，θ
c
表示随x方向的角度，x表示沿流向的横坐标，L表示流道长度，进而建立起入口4条曲线和出口4条曲线的映射关系。
[0022]优选地，在上述步骤103中，角度映射包括以下步骤：
[0023]步骤2201：设定出口分隔区域的角度为θ
d2
，根据矩形对角线原理得：θ
d2
＝arctan(b/a)；
[0024]步骤2202：设定入口分隔区域的角度为θ
d1
，根据入口4个分界点对角线形成的角度和出口4个拐点形成的对角线角度相等，可得入口角度也满足θ
d1
＝arctan(b/a)，进而建立起入口4条曲线和出口4条曲线的映射关系。
[0025]优选地，在上述步骤2中，入口函数和出口函数进行线性加权时给出权重大小，采用4个点对权重因子进行控制，即c1(0,0)，c2(0,p1)，c3(p2,1)和c4(1,1)，其中0＜p1＜p2＜1，对于c1c2控制点，调整p1的取值，可以控制入口截面形状变化的快慢，对于c3c4控制点，调整p2的取值，可以控制出口截面形状变化的快慢。
[0026]优选地，在上述步骤3中，利用线性加权的方式，建立入口截面到出口截面在流向上的外形函数：
[0027]f(x,y,z)＝[1
‑
k(x)]·
f
in
(x,y,z)+k(x)
·
f
out
(x,y,z)
[0028]其中f(x,y,z)表示收缩段外形函数，k(x)表示权重因子，即流向控制函数，f
in
(x,y,z)表示入口截面形状，f
out
(x,y,z)表示出口截面影响，权重因子满足0≤k(x)≤1,x∈[0,L]。
[0029]优选地，根据已建立外形函数确定三维坐标函数，首先对入口和出口各自4段曲线进行离散，以入口形心为坐标系原点，入口记为：(0,y
in
(s,j),z
in
(s,j))，出口记为：(L,y
out
(s,j),z
out
(s,j))，其中s＝1,2,3,4表示曲线编号，j＝1,2,...,N表示离散点的数量，利用
线性加权方法，得到收缩段离散点的三维外形坐标：<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种圆形截面转矩形截面的风洞收缩段设计方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1：分析收缩段入口和出口形状的模型特征，确定入口和出口形状的映射关系；步骤2：设定流向控制曲线的控制参数，确定流向控制曲线；步骤3：：根据步骤1确定的映射关系和步骤2得到的流向控制曲线，利用线性加权的方式，确定从入口截面到出口截面的截面在流向上的外形函数，并获得三维外形离散坐标；步骤4：将获得的三维外形离散坐标导入到三维数模软件进行建模，获得圆形截面转矩形截面收缩段的三维外形。2.根据权利要求1所述的一种圆形截面转矩形截面的风洞收缩段设计方法，其特征在于：在上述步骤1中，步骤101：将出口的矩面分割成四个区域，并确定有四个拐点和四段曲线，将入口的圆面分割成四个区域，该区域的四个“拐点”和四条曲线待定；步骤102：根据收缩段的入口和出口形状的模型特征，建立入口区域到出口区域的映射关系；步骤103：根据步骤101已经确定出口的四个拐点和四段曲线，采用面积映射或角度映射确定入口的四个“拐点”和四段曲线。3.根据权利要求2所述的一种圆形截面转矩形截面的风洞收缩段设计方法，其特征在于：根据步骤101所述，入口的圆面过圆心分割成1号区域、2号区域、3号区域和4号区域，出口的矩面沿对角线分割成的1
′
号区域、2
′
号区域、3
′
号区域和4
′
号区域。4.根据权利要求2所述的一种圆形截面转矩形截面的风洞收缩段设计方法，其特征在于：在上述步骤103中，面积映射包括以下步骤：步骤2101：根据几何原理，出口的1
′
号区域、2
′
号区域、3
′
号区域和4
′
号区域的面积相等，确定入口的1号区域、2号区域、3号区域和4号区域面积相等；步骤2102：设定圆形的半径为R，根据步骤1得到的四个区域的对角线，其中入口的对角线与z轴形成的角度为θ
c1
，出口的对角线与z轴形成的角度为θ
c2
；步骤2103：根据等分圆周可得：θ
c1
＝π/4，根据矩形几何原理可得：θ
c2
＝arctan(b/a)，在入口到出口的映射中，映射角度线性变化，即θ
c
＝θ
c1
+(θ
c2
‑
θ
c1
)x/L，θ
c
表示随x方向的角度，x表示沿流向的横坐标，L表示流道长度，进而建立起入口4条曲线和出口4条曲线的映射关系。5.根据权利要求2所述的一种圆形截面转矩形截面的风洞收缩段设计方法，其特征在于：在上述步骤103中，角度映射包括以下步骤：步骤2201：设定出口分隔区域的角度为θ
d2

【专利技术属性】
技术研发人员：刘永葆，蒙泽威，余又红，贺星，李钰洁，张筠松，丁一波，
申请(专利权)人：中国人民解放军海军工程大学，
类型：发明
国别省市：