超声速非均匀流喷管及其设计方法技术

本发明专利技术提供了一种超声速非均匀流喷管及其设计方法。该超声速非均匀流喷管设计方法包括根据亚声速段入口直径确定亚声速段曲线；根据出口马赫数分布和特征线法确定出口依赖域左行和右行特征线边界；确定从喉部发出的初始特征线；确定非均匀流喷管的等流量线；通过初始特征线和等流量线根据质量守恒和特征线法确定上下壁面曲线。该超声速非均匀流喷管设计方法，能够设计出超声速非均匀流喷管，使超声速非均匀流喷管产生所需要的非均匀流，并可以连续消波，消除或者减少集中的压缩或者膨胀波，保证流场品质。根据本发明专利技术的超声速非均匀流喷管，使用了上述的超声速非均匀流喷管设计方法。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及流体动力领域，具体而言，涉及一种超声速非均勻流喷管及其设计方法。
技术介绍
超声速/高超声速喷管广泛的应用于高速飞机、火箭、超声速风洞、高能激光器、 引射真空泵等设备中，喷管流场品质对设备的性能具有重要的影响。通过一定的设计技术获取适当的喷管壁面曲线，可以大大改善喷管流场品质，提高设备性能，节省研究经费。超声速喷管一般由收缩段和扩张段组成，在一定压力驱动下，气体在收缩段逐渐加速，并在喉部附近达到声速，然后在扩张段继续加速，直至在出口形成所需要的马赫数和流动方向角分布的超声速气流。随着现代流动机理研究的发展，非均勻流场对剪切层、边界层、激波等流动结构的影响越来越需要关注，通过一定的喷管技术产生所需要的非均勻流可用于模拟实际存在的流动特征。根据空气动力学基本原理可知，要产生一定的非均勻超声速流动，除了喷管截面应是先收缩后扩张的结构外，还应保证一定的壁面形状才能得到所需要的马赫数与流动方向角分布。本专利技术所要设计的非均勻流喷管不同于传统的风洞喷管，传统的风洞喷管设计目标是获取尽可能均勻的流场，非均勻流喷管设计的目标是获取指定分布的非均勻流场。 从几何结构的角度来看，非均勻流喷管可能是对称的也可能是非对称的，因此非均勻流喷管的设计目标也不同于非对称喷管。非均勻流喷管壁面几何特征及其对应的内部流动特性有别于传统的风洞喷管，这给相应的设计方法带来了一定的困难。虽然目前已有多种较为成熟的二维或轴对称喷管设计方法，可以实现较高的出口流场品质，但由于非均勻流喷管的特殊性，已有方法不能直接扩展到非均勻流喷管型面曲线的设计中。其面临的主要问题包括以下几个方面一是已有的流动模型和经验公式在什么条件下成立；二是难以实现消波，无法保证出口流场分布达到设计要求；三是壁面边界层修正如何实现。专著《超声速自由旋涡气动窗口及其光学质量》(易仕和等，国防科技大学出版社， 2005年)提出了基于最短长度喷管(MLN)的分区求解的自由旋涡喷管设计方法(一种典型的非均勻流喷管)，该方法设计过程如下1.采用MLN设计方法得到一个对称喷管型面曲线。2.提取MLN喷管出口边界的流动参数，作为非对称段的入口边界条件。3.将非对称段分为均勻流区、简单波区和非简单波区等几个区域。4.利用自由旋涡关系式、普朗特-迈耶关系式和质量守恒关系确定非对称区的壁面曲线。采用该方法能够得到所需要的自由旋涡喷管型面曲线，数值验证结果表明，所设计的喷管型面基本能够生成所需要的自由旋涡流场。由于非均勻流喷管在过去的实验研究和工程应用中没有很迫切的需求，过去并没4有直接针对非均勻流喷管的设计技术。随着现代计算机技术的发展，基于CFD优化算法的气动外形设计技术可以应用到非均勻流喷管设计中，其中有很多问题需要研究。某些冲压发动机尾喷管也属于非对称喷管，其目标是实现最大推力，而不关心流场结构的细节。因此，对于非均勻流喷管设计方法的需求越来越急迫。
技术实现思路
本专利技术旨在提供一种超声速非均勻流喷管及其设计方法，克服了目前并无专门的超声速非均勻流喷管设计方法的缺陷，能够设计出超声速非均勻流喷管，产生所需要的非均勻流，并可以连续消波，消除或者减少集中的压缩或者膨胀波，保证流场品质。为了实现上述目的，根据本专利技术的一个方面，提供了一种超声速非均勻流喷管设计方法，包括根据亚声速段入口直径确定亚声速段曲线；根据出口马赫数分布和特征线法确定出口依赖域左行和右行特征线边界；确定从喉部发出的初始特征线；根据出口依赖域左行和右行特征线的流量分配，确定喉部与出口流量相匹配的左行特征线和右行特征线，由此确定喉部超声速圆弧段跨声速圆弧段的终止点；连接左行特征线和右行特征线的交点与出口依赖域的顶点，并通过参数调整连接曲线的形状，使连接曲线成为非均勻流喷管的等流量线；通过初始特征线和等流量线根据质量守恒和特征线法确定上下壁面曲线。进一步地，特征线法的迭代公式为权利要求1.一种超声速非均勻流喷管设计方法，其特征在于，包括 根据亚声速段入口直径确定亚声速段曲线；根据出口马赫数分布和特征线法确定出口依赖域左行和右行特征线边界； 确定从喉部发出的初始特征线；根据所述出口依赖域左行和右行特征线的流量分配，确定所述喉部与出口流量相匹配的左行特征线和右行特征线，由此确定喉部跨声速圆弧段的终止点；连接所述左行特征线和右行特征线的交点与所述出口依赖域的顶点，并通过参数调整连接曲线的形状，使所述连接曲线成为非均勻流喷管的等流量线；通过所述初始特征线和所述等流量线根据质量守恒和特征线法确定上下壁面曲线。2.根据权利要求1所述的超声速非均勻流喷管设计方法，其特征在于，所述特征线法的迭代公式为3.根据权利要求1所述的超声速非均勻流喷管设计方法，其特征在于，在确定第二侧壁面曲线之后还包括采用动量积分关系式的参考温度解法求解边界层位移厚度，进行边界层修正，得到实际使用的壁面曲线，所述动量积分关系式为4.根据权利要求1所述的超声速非均勻流喷管设计方法，其特征在于，在根据亚声速段入口直径确定亚声速段曲线之前还包括根据等熵关系式确定所述喉部面积，所述等熵关系式为5.根据权利要求4所述的超声速非均勻流喷管设计方法，其特征在于，在根据等熵关系式确定所述喉部面积之前还包括根据喷管出口密度、喷管出口速度和喷管出口面积确定喷管流量，所述喷管流量计算公式为m = pVA其中浦为喷管流量，P为喷管出口密度，V为喷管出口速度，A为喷管出口面积。6.根据权利要求1所述的超声速非均勻流喷管设计方法，其特征在于，在通过所述初始特征线和所述等流量线根据质量守恒和特征线法确定上下壁面曲线之前还包括根据流场的加速要求，通过三次样条曲线设定所述等流量线上的马赫数分布，并保证所述马赫数的二阶导数连续。7.根据权利要求1所述的超声速非均勻流喷管设计方法，其特征在于，所述连接曲线为二次样条曲线。8.根据权利要求1所述的超声速非均勻流喷管设计方法，其特征在于，所述初始特征线通过下列公式确定9.根据权利要求1所述的超声速非均勻流喷管设计方法，其特征在于，所述亚声速段曲线通过双圆弧法确定。10.一种超声速非均勻流喷管，其特征在于，包括根据初始特征线和等流量线通过质量守恒和特征线法确定的上下壁面曲线所形成的非均勻流喷管壁面，所述等流量线通过参数调整连接左行特征线和右行特征线的交点与出口依赖域的顶点的连接曲线确定。11.根据权利要求10所述的超声速非均勻流喷管，其特征在于，还包括根据出口马赫数分布和特征线法确定的出口依赖域左行和右行特征线边界。12.根据权利要求11所述的超声速非均勻流喷管，其特征在于，还包括根据所述出口依赖域左行和右行特征线确定的位于所述喷管喉部的与出口流量相匹配的左行特征线和右行特征线。13.根据权利要求10所述的超声速非均勻流喷管，其特征在于，还包括根据亚声速段入口直径确定的亚声速段曲线。14.根据权利要求10至13中任一项所述的超声速非均勻流喷管，其特征在于，还包括采用动量积分关系式的参考温度解法求解边界层位移厚度所确定的修正边界层。全文摘要本专利技术提供了一种。该超声速非均匀流喷管设计方法包括根据亚声速段入口直径确定亚声速段曲线；根据出口马赫数分布和特征线法确定出口依赖域左行和右行特征线边界；确定从喉部发出的初始特征线；确定非均匀流喷管的等流量线；通过本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种超声速非均匀流喷管设计方法，其特征在于，包括：根据亚声速段入口直径确定亚声速段曲线；根据出口马赫数分布和特征线法确定出口依赖域左行和右行特征线边界；确定从喉部发出的初始特征线；根据所述出口依赖域左行和右行特征线的流量分配，确定所述喉部与出口流量相匹配的左行特征线和右行特征线，由此确定喉部跨声速圆弧段的终止点；连接所述左行特征线和右行特征线的交点与所述出口依赖域的顶点，并通过参数调整连接曲线的形状，使所述连接曲线成为非均匀流喷管的等流量线；通过所述初始特征线和所述等流量线根据质量守恒和特征线法确定上下壁面曲线。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王振国，赵玉新，刘卫东，梁剑寒，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科学技术大学，
类型：发明
国别省市：43