一种喷管型线设计方法、装置、设备及介质制造方法及图纸

本申请公开了一种喷管型线设计方法、装置、设备及介质，涉及空气动力学领域，包括：基于最小Gibbs自由能法获取气体组分的摩尔分数，基于高压修正气体状态方程、等熵膨胀热力学方法和能量守恒方程得到喷管面积比和气体比热比；基于维托辛斯基方法确定出喷管的收缩段无粘型线，基于Sivells方法，利用喷管面积比和气体比热比确定出喷管的膨胀段无粘型线，以及基于收缩段无粘型线和膨胀段无粘型线得到喷管无粘型线；基于利用预设碰撞截面积分方法获取的输运系数和各气体组分的摩尔分数确定出混合气体的粘性系数，然后基于粘性系数、预设边界层位移厚度表达式和喷管无粘型线确定出喷管粘性型线。能够提高喷管型线设计的精准性和设计效率。性和设计效率。性和设计效率。

【技术实现步骤摘要】
一种喷管型线设计方法、装置、设备及介质


[0001]本专利技术涉及空气动力学领域，特别涉及一种喷管型线设计方法、装置、设备及介质。

技术介绍

[0002]1929年，Prandtl与Busemann提出运用特征线理论来求解超声速流动的方法，奠定了现代喷管设计的理论基础。为了在喷管出口获得设计马赫数的匀直流，并且喷管内部不能出现激波等不均匀的干扰，Foelsch于1948年提出了源流假设方法，之后Cresci于1958年提出了在喷管的型面中增加一部分过渡区的方法，有效改善了流场的均匀性。该方法的不足之处是在喷管的初始膨胀段仍然采用经验公式。1969年，Sivells发展了Cresci的设计理念，在初始膨胀段采用了Hall的跨声速区流动理论，并通过设定合理的轴线马赫数分布而得到了曲率连续的喷管型线。后来的研究与实践表明，该方法在较高的马赫数条件下仍然可以得到较好流场。
[0003]一般认为Sivells方法的提出代表着基于特征线理论的喷管设计方法趋于完善。然而该方法却不能将喷管内的粘性问题、热/化学问题考虑进去，因此便出现了特征线法加边界层修正这一组合设计方法，实际经验表明，一般在马赫数不太高的情况下，特征线法加边界层修正所设计的喷管能够满足工程使用需求。然而上述方法均来自于完全气体假设，在高马赫数条件下，强烈的热/化学效应将使得完全气体假设不再成立，为此，龚红明等人将真实气体效应进行了部分耦合，但只考虑了氮气工质这一情况。对于混合气体工质的喷管采用特征线法设计，其喷管出口马赫数通常与设计值有偏差。
[0004]综上，如何实现对混合气体的高超声速喷管型线设计，并提高喷管型线设计的精准性是目前有待解决的问题。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种喷管型线设计方法、装置、设备及介质，能够实现对混合气体的高超声速喷管型线设计，并提高喷管型线设计的精准性。其具体方案如下：第一方面，本申请公开了一种喷管型线设计方法，包括：基于最小Gibbs自由能法构建包括温度变量、压力变量和组分变量的第一函数表达式，并基于所述第一函数表达式和预先定义的元素质量守恒方程构建第二函数表达式，然后对所述第二函数表达式进行极值运算处理以得到各气体组分的摩尔分数；基于高压修正气体状态方程、等熵膨胀热力学方法和能量守恒方程得到喷管的声速表达式和定容比热表达式，并基于所述声速表达式和所述定容比热表达式利用迭代求解方法获取声速截面和出口截面的状态参数值，以及基于所述状态参数值得到喷管面积比和气体比热比；基于维托辛斯基方法确定出喷管的收缩段无粘型线，并基于Sivells方法，利用所
述喷管面积比和所述气体比热比确定出喷管的膨胀段无粘型线，以及基于所述收缩段无粘型线和所述膨胀段无粘型线得到喷管无粘型线；利用预设碰撞截面积分方法获取输运系数，并基于所述输运系数和各气体组分的所述摩尔分数确定出混合气体的粘性系数，然后基于所述粘性系数、预设边界层位移厚度表达式和所述喷管无粘型线确定出喷管粘性型线。
[0006]可选的，所述基于所述第一函数表达式和预先定义的元素质量守恒方程构建第二函数表达式，然后对所述第二函数表达式进行极值运算处理以得到各气体组分的摩尔分数，包括：基于所述第一函数表达式和预先定义的元素质量守恒方程，并利用拉格朗日乘数法构建第二函数表达式；获取当前温度值和当前压强值，并将所述当前温度值和所述当前压强值代入所述第二函数表达式，以及对所述第二函数表达式进行极值运算处理以得到各气体组分的摩尔数；基于各气体组分的所述摩尔数和混合气体的总摩尔数得到各气体组分的摩尔分数。
[0007]可选的，所述对所述第二函数表达式进行极值运算处理以得到各气体组分的摩尔分数之后，还包括：基于各气体组分的所述摩尔分数、各气体组分的摩尔质量和普适气体常数确定出特定气体常数；基于各气体组分的所述摩尔分数、当前温度下各气体组分的定压比热和所述特定气体常数确定出混合气体的定容比热。
[0008]可选的，所述喷管型线设计方法，还包括：确定与当前温度值对应的拟合系数，并基于所述拟合系数和所述当前温度值，利用多项式拟合法确定出当前温度下各气体组分的所述定压比热。
[0009]可选的，所述基于所述声速表达式和所述定容比热表达式利用迭代求解方法获取声速截面和出口截面的状态参数值，包括：将所述定容比热和所述特定气体常数代入所述声速表达式和所述定容比热表达式，并利用迭代求解方法获取声速截面的第一密度值和第一声速值以及出口截面的第二密度值和第二声速值。
[0010]可选的，所述基于所述状态参数值得到喷管面积比和气体比热比，包括：基于所述第一密度值、所述第二密度值、所述第一声速值、所述第二声速值和所述出口截面的马赫数确定出喷管面积比；基于所述喷管面积比并利用预先定义的面积比与比热比之间的关系式确定出气体比热比。
[0011]可选的，所述基于所述粘性系数、预设边界层位移厚度表达式和所述喷管无粘型线确定出喷管粘性型线，包括：获取基于参考雷诺数修正的预设边界层位移厚度表达式；将所述粘性系数输入至所述预设边界层位移厚度表达式，并基于所述喷管无粘型线确定出喷管粘性型线。
[0012]第二方面，本申请公开了一种喷管型线设计装置，包括：摩尔分数获取模块，用于基于最小Gibbs自由能法构建包括温度变量、压力变量和组分变量的第一函数表达式，并基于所述第一函数表达式和预先定义的元素质量守恒方程构建第二函数表达式，然后对所述第二函数表达式进行极值运算处理以得到各气体组分的摩尔分数；喷管参数获取模块，用于基于高压修正气体状态方程、等熵膨胀热力学方法和能量守恒方程得到喷管的声速表达式和定容比热表达式，并基于所述声速表达式和所述定容比热表达式利用迭代求解方法获取声速截面和出口截面的状态参数值，以及基于所述状态参数值得到喷管面积比和气体比热比；无粘型线确定模块，用于基于维托辛斯基方法确定出喷管的收缩段无粘型线，并基于Sivells方法，利用所述喷管面积比和所述气体比热比确定出喷管的膨胀段无粘型线，以及基于所述收缩段无粘型线和所述膨胀段无粘型线得到喷管无粘型线；粘性型线确定模块，用于利用预设碰撞截面积分方法获取输运系数，并基于所述输运系数和各气体组分的所述摩尔分数确定出混合气体的粘性系数，然后基于所述粘性系数、预设边界层位移厚度表达式和所述喷管无粘型线确定出喷管粘性型线。
[0013]第三方面，本申请公开了一种电子设备，包括：存储器，用于保存计算机程序；处理器，用于执行所述计算机程序，以实现前述公开的喷管型线设计方法的步骤。
[0014]第四方面，本申请公开了一种计算机可读存储介质，用于存储计算机程序；其中，所述计算机程序被处理器执行时实现前述公开的喷管型线设计方法的步骤。
[0015]可见，本申请基于最小Gibbs自由能法构建包括温度变量、压力变量和组分变量的第一函数表达式，并基于所述第一函数表达式和预先定义的元素质量守恒方程构建第二函数表达式，然后对所述第二函数表达式进行极值运算处理以得到各气体组分的摩尔分数；基于高压修正气体状态方程本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种喷管型线设计方法，其特征在于，包括：基于最小Gibbs自由能法构建包括温度变量、压力变量和组分变量的第一函数表达式，并基于所述第一函数表达式和预先定义的元素质量守恒方程构建第二函数表达式，然后对所述第二函数表达式进行极值运算处理以得到各气体组分的摩尔分数；基于高压修正气体状态方程、等熵膨胀热力学方法和能量守恒方程得到喷管的声速表达式和定容比热表达式，并基于所述声速表达式和所述定容比热表达式利用迭代求解方法获取声速截面和出口截面的状态参数值，以及基于所述状态参数值得到喷管面积比和气体比热比；基于维托辛斯基方法确定出喷管的收缩段无粘型线，并基于Sivells方法，利用所述喷管面积比和所述气体比热比确定出喷管的膨胀段无粘型线，以及基于所述收缩段无粘型线和所述膨胀段无粘型线得到喷管无粘型线；利用预设碰撞截面积分方法获取输运系数，并基于所述输运系数和各气体组分的所述摩尔分数确定出混合气体的粘性系数，然后基于所述粘性系数、预设边界层位移厚度表达式和所述喷管无粘型线确定出喷管粘性型线。2.根据权利要求1所述的喷管型线设计方法，其特征在于，所述基于所述第一函数表达式和预先定义的元素质量守恒方程构建第二函数表达式，然后对所述第二函数表达式进行极值运算处理以得到各气体组分的摩尔分数，包括：基于所述第一函数表达式和预先定义的元素质量守恒方程，并利用拉格朗日乘数法构建第二函数表达式；获取当前温度值和当前压强值，并将所述当前温度值和所述当前压强值代入所述第二函数表达式，以及对所述第二函数表达式进行极值运算处理以得到各气体组分的摩尔数；基于各气体组分的所述摩尔数和混合气体的总摩尔数得到各气体组分的摩尔分数。3.根据权利要求1所述的喷管型线设计方法，其特征在于，所述对所述第二函数表达式进行极值运算处理以得到各气体组分的摩尔分数之后，还包括：基于各气体组分的所述摩尔分数、各气体组分的摩尔质量和普适气体常数确定出特定气体常数；基于各气体组分的所述摩尔分数、当前温度下各气体组分的定压比热和所述特定气体常数确定出混合气体的定容比热。4.根据权利要求3所述的喷管型线设计方法，其特征在于，还包括：确定与当前温度值对应的拟合系数，并基于所述拟合系数和所述当前温度值，利用多项式拟合法确定出当前温度下各气体组分的所述定压比热。5.根据权利要求3所述的喷管型线设计方法，其特征在于，所述基于所述声速表达式和所述定容比热表达式利用迭代求解方法获取声速截面和出口截面的状态参数值，包...

【专利技术属性】
技术研发人员：石润，刘庆宗，龚红明，李鹏，丁明松，傅杨奥骁，梅杰，孔文慧，江涛，李贤，
申请(专利权)人：中国空气动力研究与发展中心计算空气动力研究所，
类型：发明
国别省市：