一种跨超声速风洞半柔壁喷管设计方法技术

一种跨超声速风洞半柔壁喷管设计方法，属于空气动力学风洞设计技术领域。其包括首先确定初始马赫数的喷管型面和喉道块型面；假设无粘型面转折点斜率，计算无粘喷管型面，使无粘型面叠加附面层后的转折点与喉道块壁面转折点的坐标、斜率和曲率一致；确定喉道处应有的高度，据此将喉道块沿着转折点切线方向平移，转折点坐标不变，喉道块平移所需的伸长量由柔板长度补偿。转折点下游的喷管型面由剩余柔板和固定型面的出口端板实现，满足柔板长度和喷管出口高度的约束条件。其研发目的是为了解决半柔壁喷管不仅能像全柔壁喷管一样保证型面各处斜率和曲率连续，还保证喉道块型面适合不同的马赫数的问题，能够保证流场品质与全柔壁喷管的流场品质一致。喷管的流场品质一致。喷管的流场品质一致。

【技术实现步骤摘要】
一种跨超声速风洞半柔壁喷管设计方法


[0001]本专利技术涉及一种风洞半柔壁喷管的设计方法，属于空气动力学风洞设计


技术介绍

[0002]当今主流的超声速风洞普遍采用柔壁喷管代替固块喷管。柔壁喷管的优点是马赫数调节范围宽，马赫数间隔小，型面数量多，马赫数精准度高，喷管型面更换效率高，可以通过调节型面优化流场品质。由于喷管的初始膨胀区内的马赫数波强度低，此区域内的流动符合径向流特征，型面的微小变化对流动特征影响可以忽略不计，换言之，初始膨胀区的型面不需要特别精确模拟，因此喉道区域的型面可以使用刚性的喉道块代替。这种柔板和喉道块组合的喷管形式即为半柔壁喷管。
[0003]相较于全柔壁喷管，半柔壁喷管基本继承了柔壁喷管的优点，而且减少了支撑机构数量，节省建设成本，提高系统可靠性，降低运行维护成本。但是，半柔壁喷管的约束条件多，设计难度大。半柔壁喷管的主要设计难点是不仅要像全柔壁喷管一样保证型面各处斜率和曲率连续，还要保证喉道块型面适合不同的马赫数。
[0004]因此，亟需提出一种新型的风洞半柔壁喷管设计方法，以解决上述技术问题。

技术实现思路

[0005]本专利技术研发目的是为了解决半柔壁喷管不仅能像全柔壁喷管一样保证型面各处斜率和曲率连续，还保证喉道块型面适合不同的马赫数的问题，能够保证流场品质与全柔壁喷管的流场品质一致，在下文中给出了关于本专利技术的简要概述，以便提供关于本专利技术的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本专利技术的穷举性概述。它并不是意图确定本专利技术的关键或重要部分，也不是意图限定本专利技术的范围。
[0006]本专利技术的技术方案：一种跨超声速风洞半柔壁喷管设计方法，包括：步骤1：给定喷管的基本几何参数，设计喉道块型面；给定喷管出口高度的目标值和喷管宽度（即平行壁间距）；喷管的柔板长度参考最大马赫数的全柔壁喷管转折点后的型面长度确定；以最小马赫数作为喉道块的设计马赫数，即以此马赫数的初始膨胀区的型面作为喉道块的设计型面。
[0007]选择无粘型面的初始膨胀多项式曲线的幂系数n，代入公式（1）得到无粘型面的初始膨胀曲线：公式（1）式中，h
t
为无粘型面喉道处半高度，喉道的坐标为（0，h
t
），x
a
为无粘型面转折点A的横坐标，θa为转折角，即无粘型面转折点A处型面对喷管轴线的倾斜角；假设无粘型面转折点A处的流动为径向泉流，无粘型面转折点A的坐标（x
a
，y
a
）按照一维管流流量守恒关系式给
出，表达式如公式（2）：公式（2）式中，γ为空气的比热比，γ=1.4，M
a
为转折点当地的马赫数；喉道到转折点的附面层位移厚度通过3次多项式近似表示：喉道到转折点的附面层位移厚度通过3次多项式近似表示：公式（3）式中为无粘型面转折点横坐标，是由Tucker法计算得到的无粘型面转折点A处的附面层位移厚度。
[0008]喷管无粘型面与附面层位移厚度根据下式叠加得到喷管型面沿程的坐标（X,Y）：公式（4）式中x、y为无粘型面坐标，为无粘型面的倾斜角。
[0009]步骤2：确定喉道块的旋转中心D的坐标（X
D
,Y
D
）；喷管出口截面的中心点为坐标系原点（0,0），喷管喉道块的旋转中心D的坐标为（X
D
,Y
D
），喉道块转折点P的坐标为（X
P
,Y
P
），喉道块转折点P点的型面倾斜角为；旋转中心位于喷管出口附近，旋转中心到喷管轴线的距离Y
D
是喷管出口高度Y
out
的1.5~2倍；旋转中心D与喉道块转折点P的连线与喉道块转折点P点切线的夹角的计算公式如下：公式（5）由此计算旋转中心D与喉道块转折点P之间的距离PD和旋转中心的X
D
如下：公式（6）公式（7）。
[0010]步骤3：旋转喉道块，在喷管坐标系中确定旋转后的喉道块的坐标和曲率半径；在步骤1中所述的设计点马赫数下，绕旋转中心逆时针旋转喉道块，所述绕旋转中心逆时针即减小喉道尺寸的方向；旋转后得到新喉道的坐标（X
t
,Y
t
）和喉道处的曲率半径Rt；喉道处曲率半径R
t
与喉道高度Y
t
之比大于10，并且喉道块始终保持收缩型面。
[0011]步骤4：设计喉道块区域内的无粘型面和附面层位移厚度，使两者叠加得到的喷管型面与喉道块型面在喉道块转折点P的坐标趋于一致；
给定无粘型面的初始膨胀多项式曲线的幂系数n=3；以设计型面的喉道附面层位移厚度作为当前喉道处附面层位移厚度的初值，由公式八得到无粘型面的喉道半高度；公式（8）式中，W是喷管的宽度；给定无粘型面转折点A的倾斜角的初始值，初始值小于，由公式九和公式十计算无粘型面转折点A的坐标为（X
A
,Y
A
）；公式（9）公式（10）通过特征线法和Tucker附面层修正方法计算喉道处T和无粘型面转折点A的附面层位移厚度和，由此计算得到喉道块转折点P的坐标（,）：公式（11）公式（12）检验计算在喉道块转折点P的坐标（X
P
,Y
P
）与（,）是否一致；如不一致，调整无粘型面转折点的倾斜角，重复步骤4，迭代计算直到两者一致为止；在此过程中喉道处的附面层位移厚度逐渐收敛。
[0012]步骤5：计算柔板的型面，使柔板与喉道块在喉道块转折点P处的坐标一致；给定无粘型面出口高度的初值，根据公式十三计算得到出口马赫数的初始值；公式（13）通过特征线法和Tucker附面层修正方法计算柔板的无粘型面坐标、喷管出口高度和出口的附面层位移厚度；采用新的无粘型面出口高度作为初值进行迭代计算，直到喷管出口目标高度与喷管出口高度的计算值的偏差缩小到0.1mm以内。
[0013]使用三次曲线和直线拟合喉道到出口的附面层位移厚度，再求出无粘型面转折点A的附面层位移厚度和斜率；如果无粘型面转折点A处的附面层厚度和步骤4中的附面层位移厚度不一致，按照新的转折点附面层位移厚度，回到步骤4重新计算喉道块转折点P的坐标（,），直到喉道块转折点P的坐标（X
P
,Y
P
）与（,）基本一致。
[0014]步骤6：喉道块绕喉道块转折点P旋转，喉道块和柔板在喉道块转折点P处的斜率一致；按照下式计算柔板在转折点P处的斜率和倾斜角；
公式（14）公式（15）对比壁面转折点两边的斜率，即喉道段下游端点的斜率和柔壁上游端点的斜率，两者的斜率存在0.05
°
以内的偏差；通过喉道块绕壁面转折点旋转弥补此斜率偏差，为弥补喉道高度的变化，喉道块沿柔板在喉道块转折点P处的倾斜角方向平移，平移量使喉道高度保持不变，位移量由柔板长度补偿，喉道块上的坐标(X,Y)在旋转和平移后的坐标()按下式计算：公式（16）公式（17）公式（18）公式（19）式中，是喉道块上的点与本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种跨超声速风洞半柔壁喷管设计方法，其特征在于，包括：步骤1：给定喷管的基本几何参数，设计喉道块型面；步骤2：确定喉道块的旋转中心D的坐标（X
D
,Y
D
）；步骤3：旋转喉道块，在喷管坐标系中确定旋转后的喉道块的坐标和曲率半径；步骤4：设计喉道块区域内的无粘型面和附面层位移厚度，使两者叠加得到的喷管型面与喉道块型面在喉道块转折点P的坐标趋于一致；步骤5：计算柔板的型面，使柔板与喉道块在喉道块转折点P处的坐标一致；步骤6：喉道块绕喉道块转折点P旋转，喉道块和柔板在喉道块转折点P处的斜率一致；步骤7：喷管出口高度计算和修正；步骤8：针对每个马赫数设计喉道块上游曲线，采用曲率连续的分段多项式曲线组成，采用5次曲线与直线的组合，5次曲线能够保证连接点处的坐标、斜率和曲率连续，直线在连接点处曲率为零；由于型线的长度不一致，为补偿型线长度差量，在喷管入口采用滑槽机构形式；滑槽绕喷管入口旋转，变换马赫数时柔板在滑槽内伸缩；滑槽内的柔板型线采用直线。2.根据权利要求1所述的一种跨超声速风洞半柔壁喷管设计方法，其特征在于：所述步骤1包括：给定喷管出口高度的目标值和喷管宽度；喷管的柔板长度参考最大马赫数的全柔壁喷管转折点后的型面长度确定；以最小马赫数作为喉道块的设计马赫数，即以此马赫数的初始膨胀区的型面作为喉道块的设计型面；选择无粘型面的初始膨胀多项式曲线的幂系数n，代入公式（1）得到无粘型面的初始膨胀曲线：公式（1）式中，h
t
为无粘型面喉道处半高度，喉道的坐标为（0，h
t
），x
a
为无粘型面转折点A的横坐标，θa为转折角，即无粘型面转折点A处型面对喷管轴线的倾斜角；假设无粘型面转折点A处的流动为径向泉流，无粘型面转折点A的坐标（x
a
，y
a
）按照一维管流流量守恒关系式给出，表达式如公式（2）：公式（2）式中，γ为空气的比热比，γ=1.4，M
a
为转折点当地的马赫数；喉道到转折点的附面层位移厚度通过3次多项式近似表示：喉道到转折点的附面层位移厚度通过3次多项式近似表示：公式（3）
式中，是由Tucker法计算得到的无粘型面转折点A处的附面层位移厚度，为喉道到转折点之间的附面层位移厚度，是横坐标x的函数；喷管无粘型面与附面层位移厚度根据公式（4）叠加得到喷管型面沿程的坐标（X,Y）：公式（4）式中x、y为无粘型面坐标，为无粘型面的倾斜角。3.根据权利要求2所述的一种跨超声速风洞半柔壁喷管设计方法，其特征在于：所述步骤2包括：喷管出口截面的中心点为坐标系原点（0,0），喷管喉道块的旋转中心D的坐标为（X
D
,Y
D
），喉道块转折点P的坐标为（X
P
,Y
P
），喉道块转折点P点的型面倾斜角为；旋转中心位于喷管出口附近，旋转中心到喷管轴线的距离Y
D
是喷管出口高度Y
out
的1.5~2倍；旋转中心D与喉道块转折点P的连线与喉道块转折点P点切线的夹角的计算公式如下：公式（5）由此计算旋转中心D与喉道块转折点P之间的距离PD和旋转中心的X
D
如下：公式（6）公式（7）。4.根据权利要求3所述的一种跨超声速风洞半柔壁喷管设计方法，其特征在于：所述步骤3包括：在步骤1中所述的设计点马赫数下，绕旋转中心逆时针旋转喉道块，所述绕旋转中心逆时针即减小喉道尺寸的方向；旋转后得到新...

【专利技术属性】
技术研发人员：崔晓春，张刃，李庆利，李兴龙，
申请(专利权)人：中国航空工业集团公司沈阳空气动力研究所，
类型：发明
国别省市：