一种用于高超声速风洞轴对称喷管的结构设计方法技术

本发明专利技术属于高超声速风洞设备设计技术领域，公开了一种用于高超声速风洞轴对称喷管的结构设计方法。该结构设计方法包括以下步骤：气动分段设计，结构分段设计，加工分段设计，各段力学分析，各段材料选择，各段加工精度、同轴度、阶差、粗糙度和缝隙精度指标、各段冷却方式和喷管与试验段密封连接。该结构设计方法是一种能够确保高超声速风洞轴对称喷管达到国军标中高超声速风洞喷管速度场品质要求的结构设计方法；能够减少设计、加工过程的风险。该结构设计方法已经在Ф0.5m量级、Ф1m量级和Ф2m量级的高超声速风洞轴对称喷管设计中得到应用，获得的喷管速度场均匀区内的最大马赫数偏差均小于1%，满足国军标的要求。满足国军标的要求。满足国军标的要求。

【技术实现步骤摘要】
一种用于高超声速风洞轴对称喷管的结构设计方法


[0001]本专利技术属于高超声速风洞设备设计
，具体涉及一种用于高超声速风洞轴对称喷管的结构设计方法。

技术介绍

[0002]高超声速风洞马赫数范围一般为马赫数3~马赫数10。高超声速风洞是高超声速飞行器研制和空气动力学研究的地面模拟试验设备，轴对称型面喷管是高超声速风洞的一个核心部件，是保证获得一定马赫数，一定均匀度气流的重要部件。高超声速风洞来流经过稳定段整流稳定后，进入收缩段，气流由亚声速逐渐加速到声速，而后从喉道开始，气流通过膨胀加速，在喷管出口达到给定的马赫数。给定一定的面积比，喷管出口只能得到相应的马赫数气流，而喷管的型线形状则是保证在喷管出口获得合乎试验要求的平行气流。
[0003]喷管设计的好坏对高超声速风洞气流品质起决定性作用。喷管气动设计的总体技术要求包括喷管出口气流是否达到设计马赫数、喷管出口气流马赫数是否分布均匀、喷管出口气流方向是否与风洞轴线平行。喷管速度场品质性能直接决定了风洞的流场性能，直接关系到飞行器试验数据的精度和准度，从而关系到飞行器的飞行性能和飞本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于高超声速风洞轴对称喷管的结构设计方法，其特征在于，包括以下设计步骤：S10.气动分段设计；S20.结构分段设计；S30.加工分段设计；S40.各段力学分析；S50.各段材料选择；S60.各段加工精度、同轴度、阶差、粗糙度和缝隙精度指标；S70.各段冷却方式选择；S80.喷管与试验段密封连接方式选择。2.根据权利要求1所述的用于高超声速风洞轴对称喷管的结构设计方法，其特征在于，所述的步骤S10的气动分段设计，包括以下内容：气动上将喷管分为亚音速收缩段（1）、初始膨胀段（2）、平行流段（3）；亚音速收缩段（1）的位置区域为OA段即喷管入口O至最小直径即喷管喉道A处，作用是均匀加速气流，气流沿收缩段壁面曲线流动时，流速单调增加，沿壁面不分离，在喷管喉道A处达到音速，同时改善气流的脉动程度，实现喷管喉道A处气流均匀且稳定；初始膨胀段（2）的位置区域为AB段，作用是使喷管喉道A处的音速气流加速到设计马赫数，并将气流矫直成平行流；平行流段（3）的位置区域为BC段，气流与喷管轴线平行，保持设计马赫数，且每个截面马赫数分布均匀。3.根据权利要求2所述的用于高超声速风洞轴对称喷管的结构设计方法，其特征在于，所述的步骤S20的结构分段设计，包括以下内容：结构上将喷管分为喷管喉道段（4）与喷管扩散段（5），喷管喉道段（4）包括气动分段上划分的亚音速收缩段（1）以及初始膨胀段（2），喷管扩散段（5）包含气动分段上划分的平行流段（3）；令喷管入口直径为Dr、喷管出口直径为Dc、喷管总长度为L，从喷管入口O起算，喷管喉道段（4）长度为Dr+0.5Dc；喷管扩散段（5）长度为L
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(Dr+0.5Dc)。4.根据权利要求3所述的用于高超声速风洞轴对称喷管的结构设计方法，其特征在于，所述的步骤S30的加工分段设计，包括以下内容：加工上将喷管喉道段（4）分为两段，喷管喉道段（4）中的亚音速收缩段（1）不分段，在初始膨胀段（2）上进行分段，即亚音速收缩段（1）以及部分初始膨胀段（2）作为喷管喉道段（4）的第一段，剩余的初始膨胀段（2）作为喷管喉道段（4）的第二段；加工上将喷管扩散段（5）分为4段~8段，每段的长度范围为用于加工喷管扩散段（5）的数控立式机床有效行程的75%~85%。5.根据权利要求3所述的用于高超声速风洞轴对称喷管的结构设计方法，其特征在于，所述的步骤S40的各段力学分析，包括以下内容：喷管喉道段（4）强度设计参考正压容器，按照GB150压力容器设计规范进行；喷管扩散段（5）强度设计参考负压容器，按照GB150压力容器设计规范进行；考虑刚度和喷管型面加工精度需求，喷管喉道段（4）采用锻件制作，不进行刚度设计校核；考虑刚度、加工难度和经济性需求，喷管扩散段（5）的锥筒采用板材巻制方法，利用卷焊结构件制作，喷管扩散段（5）两端的法兰采用带径锻件毛胚加工，两端的法兰与锥筒组焊
后沿喷管扩散段（5）的轴向设置加强环，加强环之间的间隔不大于500mm，在加强环与法兰之间、加强环之间沿锥筒母线上均布加强筋，加强筋数量为偶数；喷管扩散段（5）进行刚度设计校核；采用有限元分析方法，进行喷管整体的结构强度与刚度分析，要求喷管最大径向变形量小于0.06mm，如果不满足要求，重复迭代进行力学分析设计，通过增加喷管喉道段（4）和喷管扩散段（5）的壁厚，或者加密喷管扩散段（5）的加强筋和加强环的方式降低变形量。6.根据权利要求3所述的用于高超声速风洞轴对称喷管的结构设计方法，其特征在于，所述的步骤S50的各段材料选择，包括以下内容：喷管马赫数范围为马赫数3~马赫数6时，喷管喉道段（4）采用马氏体不锈钢12Cr13或奥氏体不锈钢锻件，喷管扩散段（5）的锥筒采用马氏体不锈钢12Cr13或奥氏体不锈钢板材巻制；喷...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙启志，凌岗，杨波，陈映东，朱涛，许晓斌，将万秋，母波，
申请(专利权)人：中国空气动力研究与发展中心超高速空气动力研究所，
类型：发明
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