一种高超声速喷管内型线修复方法技术

本发明专利技术涉及一种高超声速喷管内型线修复方法，属于风洞试验领域；对喷管型线进行数值模拟；结合喷管出口流场校测数据，分析喷管流场为欠膨胀状态还是过膨胀状态；针对喷管欠膨胀状态或过膨胀状态，采用左行特征线区域修正或右行特征线区域修正的方法进行修复；本发明专利技术在原有喷管型面的基础上，只需要对型面进行局部修复，流场品质就能达到优秀指标，同时成本低、周期短，能够快速应用于流场不佳的高超声速喷管；本发明专利技术能为飞行器研制提供高品质高超声速风洞试验气动数据，能够模拟飞行环境。能够模拟飞行环境。能够模拟飞行环境。

【技术实现步骤摘要】
一种高超声速喷管内型线修复方法


[0001]本专利技术属于风洞试验领域，涉及一种高超声速喷管内型线修复方法。

技术介绍

[0002]在高超声速风洞试验中，喷管是高超声速风洞试验段获得所需均匀试验气流的关键部件，影响高超声速试验气流的品质。高超声速流动速度快、梯度大、间断强、热力耦合复杂、传播区域有限，相应的设计技术十分复杂。随着现代空气动力学的发展，风洞试验的研究内容越来越多样化，对风洞试验能力的要求也越来越高。
[0003]高超声速风洞发展已经有了数十年的历史，相应的喷管设计技术也已经发展了数十年，原有设计的高超声速喷管设计方法和理论比较落后，喷管出口流场指标不能满足现有风洞试验的发展。同时新喷管加工费用高昂、周期长，为了节约成本，提高流场品质，亟需发展一种高超声速喷管内型线修复方法，提高试验段流场品质，使其流场品质满足优秀指标，为先进飞行器研制所需求的高品质风洞试验气动数据提供相应的支持。

技术实现思路

[0004]本专利技术解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种高超声速喷管内型线修复方法，在原有喷管型面的基础上，只需要对型面进行局部修复，流场品质就能达到优秀指标，同时成本低、周期短，能够快速应用于流场不佳的高超声速喷管。
[0005]本专利技术解决技术的方案是：
[0006]一种高超声速喷管内型线修复方法，包括：
[0007]对喷管型线进行数值模拟；
[0008]结合喷管出口流场校测数据，分析喷管流场为欠膨胀状态还是过膨胀状态；
[0009]针对喷管欠膨胀状态或过膨胀状态，采用左行特征线区域修正或右行特征线区域修正的方法进行修复。
[0010]在上述的一种高超声速喷管内型线修复方法，当喷管驻室总温小于800K时，数值模拟采用理想气体方程；当喷管驻室总温在800
‑
1600K时，数值模拟采用完全气体方程；当喷管驻室总温在1600
‑
2500K时，数值模拟采用化学非平衡气体方程；当喷管驻室总温大于2500K时，数值模拟采用热化学非平衡气体方程；当喷管驻室有液态或者固态颗粒时，数值模拟采用多相流气体方程。
[0011]在上述的一种高超声速喷管内型线修复方法，喷管膨胀段由3部分或者2部分组成；当为3部分时，包括左行区域段TA，锥形流区域段GA，右行区域段AD；当高超声速喷管的G点和A点重合时，只包括2部分，即左行区域段TA和右行区域段AD。
[0012]在上述的一种高超声速喷管内型线修复方法，喷管型线斜率利用多项式插值的方法进行计算，采用Hermit插值多项式方法开展计算。
[0013]在上述的一种高超声速喷管内型线修复方法，当喷管为欠膨胀状态时，数值模拟结果为在喷管中心轴线上出现马赫数Ma1闭合区域；选择G点处斜率β，以此斜率β做圆锥曲
线，将G向T方向延长到F点，F点的横坐标为x
F
，纵坐标为y
F
。
[0014]在上述的一种高超声速喷管内型线修复方法，TF曲线的方程为：
[0015][0016][0017]式中，x,y为TF曲线方程的坐标点。
[0018]在上述的一种高超声速喷管内型线修复方法，连接NT、TF、FG、GA和AD，生成新的喷管型线；利用数值模拟技术，进行数值校对；当试验流场品质不满足需求时，则修改F点位置，修改标准可为改变气流偏转角α，进行迭代，每次迭代选择的α值为0.2
°
～0.5
°
，直到满足需求。
[0019]在上述的一种高超声速喷管内型线修复方法，当喷管为过膨胀状态时，数值模拟结果为在喷管出口上出现边界层急剧增加状态，导致马赫数Ma2急剧向中心线偏转；采用7～8次B
é
zier曲线重新构造右行区域段；选择A点为B
é
zier曲线初始端起点，D1点为B
é
zier曲线末端终点，D1点为D点向径向延伸距离为d，d值范围为5～15mm；重新构建的B
é
zier曲线单调，其二阶导数连续。
[0020]在上述的一种高超声速喷管内型线修复方法，B
é
zier曲线采用特征多边形顶点的位置矢量与Bernstein基函数组合，表达式为：
[0021][0022][0023]式中，n为B
é
zier曲线的次数；
[0024]i为特征线顶点的序号，0≤i≤n；
[0025]u为参数，0≤u≤1；Vi为特征多边形顶点的位置失量；
[0026]J
n,i
为Bernstein基函数，为组合数。
[0027]在上述的一种高超声速喷管内型线修复方法，选择7～8次B
é
zier曲线重新构建的喷管右行特征线曲线，前3个顶点保证初始点的参数以及1阶、2阶导数的连续，后3个点保证结束点的参数和1阶、2阶导数的连续，其他的点用于控制曲线形状；利用数值模拟技术，对新曲线进行数值校对；当试验流场品质不满足指标时，更改用于控制曲线形状的点坐标，进行迭代，直到满足需求。
[0028]本专利技术与现有技术相比的有益效果是：
[0029](1)本专利技术在原有喷管型面的基础上，只需要对型面进行局部修复，流场品质就能达到优秀指标；
[0030](2)本专利技术成本低、周期短，能够快速应用于流场不佳的高超声速喷管。本专利技术能为飞行器研制提供高品质高超声速风洞试验气动数据，能够模拟飞行环境。
附图说明
[0031]图1为本专利技术喷管型线和对应的斜率示意图；
[0032]图2为本专利技术欠膨胀喷管流场流动示意图；
[0033]图3为本专利技术过膨胀喷管流场流动示意图；
[0034]图4为本专利技术高超声速喷管内型线修复流程图。
具体实施方式
[0035]下面结合实施例对本专利技术作进一步阐述。
[0036]本专利技术提供了一种高超声速喷管内型线修复方法，涉及风洞试验领域。对于高超声速风洞喷管，在设计之初没有考虑喷管入口边界层的影响；或者由于设计年代较早，没有用特征线法进行设计，或者边界层修正不理想等诸多因素，使得喷管流场处于欠膨胀或者过膨胀状态，导致喷管出口流场不均匀，试验段流场品质不满足优秀指标，引起试验模型气动参数存在较大偏差。如果重新设计并研制新的喷管，成本大、周期长。本专利技术在原有喷管型面的基础上，只需要对型面进行局部修复，流场品质就能达到优秀指标，同时成本低、周期短，能够快速应用于流场不佳的高超声速喷管。本专利技术能为飞行器研制提供高品质高超声速风洞试验气动数据，能够模拟飞行环境。
[0037]高超声速喷管内型线修复方法，具体包括如下步骤：
[0038]对喷管型线进行数值模拟。当喷管驻室总温小于800K时，数值模拟采用理想气体方程；当喷管驻室总温在800
‑
1600K时，数值模拟采用完全气体方程；当喷管驻室总温在1600
‑
2500K时，数值模拟采用化学本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高超声速喷管内型线修复方法，其特征在于：包括：对喷管型线进行数值模拟；结合喷管出口流场校测数据，分析喷管流场为欠膨胀状态还是过膨胀状态；针对喷管欠膨胀状态或过膨胀状态，采用左行特征线区域修正或右行特征线区域修正的方法进行修复。2.根据权利要求1所述的一种高超声速喷管内型线修复方法，其特征在于：当喷管驻室总温小于800K时，数值模拟采用理想气体方程；当喷管驻室总温在800
‑
1600K时，数值模拟采用完全气体方程；当喷管驻室总温在1600
‑
2500K时，数值模拟采用化学非平衡气体方程；当喷管驻室总温大于2500K时，数值模拟采用热化学非平衡气体方程；当喷管驻室有液态或者固态颗粒时，数值模拟采用多相流气体方程。3.根据权利要求1所述的一种高超声速喷管内型线修复方法，其特征在于：喷管膨胀段由3部分或者2部分组成；当为3部分时，包括左行区域段TA，锥形流区域段GA，右行区域段AD；当高超声速喷管的G点和A点重合时，只包括2部分，即左行区域段TA和右行区域段AD。4.根据权利要求3所述的一种高超声速喷管内型线修复方法，其特征在于：喷管型线斜率利用多项式插值的方法进行计算，采用Hermit插值多项式方法开展计算。5.根据权利要求4所述的一种高超声速喷管内型线修复方法，其特征在于：当喷管为欠膨胀状态时，数值模拟结果为在喷管中心轴线上出现马赫数Ma1闭合区域；选择G点处斜率β，以此斜率β做圆锥曲线，将G向T方向延长到F点，F点的横坐标为x
F
，纵坐标为y
F
。6.根据权利要求5所述的一种高超声速喷管内型线修复方法，其特征在于：TF曲线的方程为：为：式中，x,y为TF曲线方程的坐标点。7.根据权利要求6所述的一种高超声速喷管内型线修复方法，其特征在于：连接NT、TF、FG、GA...

【专利技术属性】
技术研发人员：谌君谋，王惠伦，姚大鹏，刘训华，纪锋，陈伟，庞建，
申请(专利权)人：中国航天空气动力技术研究院，
类型：发明
国别省市：