【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于低密度风洞工程，尤其涉及一种大尺寸宽工况高超声速低密度型面喷管设计方法。
技术介绍
1、高超声速飞行器从太空进入大气层时，当大于150km高空时，空气密度将达到一个足够低的值，单位时间只有很少的分子与物面发生碰撞，当分子从物面反射回去时，他们不会与后续分子相互作用。在大于90km高空时，黏性流动的无滑移边界条件不再成立，其头部区域的流动不能完全地应用连续介质假设来处理。此时必须运用分子运动学方法来预测气动特征。因此，高超声速飞行器从稀薄大气进入稠密大气，流动类型将从单个分子碰撞物面起重要的自由分子转化为滑移起重要作用的过渡形式，最后转化为连续介质流动。
2、对于给定的一个问题，努森数是一个判断低密度影响是否重要、重要到什么程度的标准。当努森数小于0.03时，流动为连续流动；当努森数大于0.03小于0.1时，为过渡流区；当努森数大于1时，自由分子流动作用开始凸显。低密度效应本质上不受高马赫数的影响，为了在地面设备上模拟低密度效应，需要有相应的高超声速低密度喷管，而型面喷管流场均匀性好，目前相关技术缺少，亟需发展。
技术实现思路
1、本专利技术的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种大尺寸宽工况高超声速低密度型面喷管设计方法，为低密度喷管设计提供一种经过试验验证的可行思路。
2、为了解决上述技术问题，本专利技术公开了一种大尺寸宽工况高超声速低密度型面喷管设计方法，包括：
3、根据待设计喷管的出口马赫数ma和无黏型线出口直径d，计算得
4、基于确定的待设计喷管的喉道直径d*，结合给定的半锥角θ，设计一个初始锥形喷管；其中，初始锥形喷管由膨胀段和收缩段光滑连接而成；初始锥形喷管的收缩段采用移轴的witoszynski曲线、三次曲线或者cqcq曲线；
5、对初始锥形喷管进行数值模拟计算，确定初始锥形喷管的出口流场努森数；
6、当出口流场努森数小于0.03时，采用第一策略对初始锥形喷管的型线进行重构优化，得到最优喷管型线；
7、当出口流场努森数大于0.03且小于1时，采用第二策略对初始锥形喷管的型线进行重构优化，得到最优喷管型线；
8、当出口流场努森数大于1时，采用第三策略对初始锥形喷管的型线进行重构优化，得到最优喷管型线。
9、在上述大尺寸宽工况高超声速低密度型面喷管设计方法中，根据待设计喷管的出口马赫数ma和无黏型线出口直径d，计算得到待设计喷管的喉道直径d*，包括：
10、确定待设计喷管的无黏型线出口直径d对应的面积a；
11、根据ma和a，计算得到待设计喷管的喉道面积a*：
12、
13、其中，γ表示比热比；
14、根据a*，计算得到待设计喷管的喉道直径d*：
15、
16、在上述大尺寸宽工况高超声速低密度型面喷管设计方法中，6°≤θ≤15°。
17、在上述大尺寸宽工况高超声速低密度型面喷管设计方法中，当出口流场努森数小于0.03时，采用第一策略对初始锥形喷管的型线进行重构优化，得到最优喷管型线，包括：
18、当出口流场努森数小于0.03时，确定初始锥形喷管型线为连续曲线，采用7～9次bézier曲线沿着流场的外流线重新构造喷管喉道下游区域，选择喉道t点为bézier曲线初始点，g1点为bézier曲线终点，计算得到g1点上游的斜率；
19、以计算得到的g1点上游的斜率为基础，作直线，使得g1点延长到p1点；
20、采用解析表达式，计算得到p1点到出口e1点的消波区：
21、
22、其中，(xn1,yn1)表示p1e1曲线上的点；r1表示p1点的源流半径；θp1表示p1点气流偏转角；μ表示马赫角，θ1表示p1e1曲线上的气流偏转角；
23、光滑连接tg1曲线、g1p1曲线和p1e1曲线，得到喷管膨胀段曲线，连接收缩段曲线后，得到完整的新喷管型线；
24、对得到的完整的新喷管型线进行数值模拟，若根据数值模拟确定的喷管出口流场马赫数偏差不满足要求，则返回对bézier曲线进行修正，延长g1点的距离，重新进行迭代，直至得到的完整的新喷管型线满足要求。
25、在上述大尺寸宽工况高超声速低密度型面喷管设计方法中，当出口流场努森数大于0.03且小于1时，采用第二策略对初始锥形喷管的型线进行重构优化，得到最优喷管型线，包括：
26、当出口流场努森数大于0.03且小于1时，确定喷管型线为非连续曲线，且喷管型线为2段；
27、选择第1段曲线起始点为喷管喉道，采用7～9次bézier曲线沿着流场的外流线重新构造喷管喉道下游区域，选择喉道t点为bézier曲线初始点，g1点为bézier曲线终点；
28、选择第2段曲线起始点为g2点；其中，g2点与g1点之间满足：g1点沿着y轴垂直方向向下偏移δy1得到的点即为g2点，g2点斜率与g1点的斜率相同；
29、计算得到g1点上游的斜率；
30、以计算得到的g1点上游的斜率为基础，作直线，使得g2点延长到p2点；其中，p2点的值由源流半径r2确定；
31、采用解析表达式，计算得到p2点到出口e2点的消波区：
32、
33、其中，(xn2,yn2)表示p2e2曲线上的点；r2表示p2点的源流半径；θp2表示p2点气流偏转角；θ2表示p2e2曲线上的气流偏转角；
34、连接收缩段曲线和tg1曲线，连接g2p2曲线和p2e2曲线，得到完整的新喷管型线；其中，g1和g2为缝隙区域；
35、对得到的完整的新喷管型线进行数值模拟，若根据数值模拟确定的喷管出口流场马赫数偏差不满足要求，则返回对bézier曲线进行修正，延长g1点的距离或者增加δy1，重新进行迭代，直至得到的完整的新喷管型线满足要求。
36、在上述大尺寸宽工况高超声速低密度型面喷管设计方法中，当出口流场努森数大于1时，采用第三策略对初始锥形喷管的型线进行重构优化，得到最优喷管型线，包括：
37、当出口流场努森数大于1时，确定喷管型线为非连续曲线，且喷管型线为3段；
38、选择第1段曲线起始点为喷管喉道，采用7～9次bézier曲线沿着流场的外流线重新构造喷管喉道下游区域，选择喉道t点为bézier曲线初始点，g1点为bézier曲线终点；
39、选择第2段曲线起始点为g2点，其中，g2点与g1点之间满足：g1点沿着y轴垂直方向向下偏移δy1得到的点即为g2点，g2点斜率与g1点的斜率相同；
40、计算得到g1点上游的斜率；
41、以计算得到的g1点上游的斜率为基础，作直线，使得g2点延长到p2点；将p2点沿着y轴垂直方向向下偏移δy2得到p3点；
42、采用解析表达式，计算得到p3点到出口e3点的消波区：
本文档来自技高网...【技术保护点】
1.一种大尺寸宽工况高超声速低密度型面喷管设计方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的大尺寸宽工况高超声速低密度型面喷管设计方法，其特征在于，根据待设计喷管的出口马赫数Ma和无黏型线出口直径D，计算得到待设计喷管的喉道直径d*，包括：
3.根据权利要求1所述的大尺寸宽工况高超声速低密度型面喷管设计方法，其特征在于，6°≤θ≤15°。
4.根据权利要求1所述的大尺寸宽工况高超声速低密度型面喷管设计方法，其特征在于，当出口流场努森数小于0.03时，采用第一策略对初始锥形喷管的型线进行重构优化，得到最优喷管型线，包括：
5.根据权利要求4所述的大尺寸宽工况高超声速低密度型面喷管设计方法，其特征在于，当出口流场努森数大于0.03且小于1时，采用第二策略对初始锥形喷管的型线进行重构优化，得到最优喷管型线，包括：
6.根据权利要求5所述的大尺寸宽工况高超声速低密度型面喷管设计方法，其特征在于，当出口流场努森数大于1时，采用第三策略对初始锥形喷管的型线进行重构优化，得到最优喷管型线，包括：
7.根据权利要求6所述
8.根据权利要求6所述的大尺寸宽工况高超声速低密度型面喷管设计方法，其特征在于，
9.根据权利要求5所述的大尺寸宽工况高超声速低密度型面喷管设计方法，其特征在于，当出口流场努森数大于0.03且小于1时，G2P2D0段可沿着垂直方向移动，使得G2点与G1点重合；其中，D0点为喷管出口位置点。
10.根据权利要求6所述的大尺寸宽工况高超声速低密度型面喷管设计方法，其特征在于，当出口流场努森数大于1时，P3D0段可沿着垂直方向上下移动，使得P3点与P2重合。
...【技术特征摘要】
1.一种大尺寸宽工况高超声速低密度型面喷管设计方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的大尺寸宽工况高超声速低密度型面喷管设计方法，其特征在于，根据待设计喷管的出口马赫数ma和无黏型线出口直径d，计算得到待设计喷管的喉道直径d*，包括：
3.根据权利要求1所述的大尺寸宽工况高超声速低密度型面喷管设计方法，其特征在于，6°≤θ≤15°。
4.根据权利要求1所述的大尺寸宽工况高超声速低密度型面喷管设计方法，其特征在于，当出口流场努森数小于0.03时，采用第一策略对初始锥形喷管的型线进行重构优化，得到最优喷管型线，包括：
5.根据权利要求4所述的大尺寸宽工况高超声速低密度型面喷管设计方法，其特征在于，当出口流场努森数大于0.03且小于1时，采用第二策略对初始锥形喷管的型线进行重构优化，得到最优喷管型线，包括：
6.根据权利要求5所述的大尺寸宽工况高超声...
【专利技术属性】
技术研发人员：谌君谋，许健明，李睿劬，纪锋，黄炳修，王高伟，
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：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。