本发明专利技术公开了一种混合喷管流道壁面确定方法、混合喷管和超声速混合风洞，该混合喷管流道壁面的确定方法包括以下步骤：给出待确定喷管的出口截面的图形，并且确定图形的外接圆；将外接圆作为假想的圆形喷管的出口截面利用特征线法确定圆形喷管的曲线型面；根据圆形喷管的曲线型面提取流道的流线族；以及确定图形上各点所对应的流线族中的流线，其中，图形上各点的流线构成待确定喷管的流道壁面。根据本发明专利技术的超音速混合风洞，实现了三维混合流场，提高了混合效率，流场品质堪比二维或轴对称流场，并且方形的外喷管和实验段便于观测技术的实施。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种喷管流道壁面的确定方法、由该确定方法得到的混合喷管和具有该混合喷管的超声速混合风洞。
技术介绍
超声速混合流场研究是现代空气动力学研究的热点和难点问题，广泛存在于超燃冲压发动机、超声速引射器、高速导弹气幕冷却光学窗口、以及高能激光器的气动窗口等流场中，所涉及的流动稳定性、转捩、涡结构相互作用和湍流等问题远较不可压缩混合流场复杂，具有重要的工程和理论价值，相关研究亟待深入开展。超声速混合风洞是产生超声速混合流场所必需的实验装置。一般采用两个超声速喷管产生参数不同的两股超声速气流，并通过一定的布局方式使两股气流在实验段内掺混形成混合流场。由于存在不稳定性，风洞边界的任何微小扰动都可能改变混合流场结构，导致转捩提前发生，甚至在来流流场品质较差的风洞中，来流边界层和实验段壁面本身就存在各种频率的扰动，这对于研究混合流场结构是十分不利的。超声速混合流场具有三维、非定常和多尺寸的特征，定量流动成像技术是研究这些特征的重要手段，它需要混合风洞具有良好的光学测量环境，相应的风洞光学窗口需要有针对性地设计。美国斯坦福大学的博士论文 “An experimental investigation of highcompressibility mixinglayers. T. Rossmann, 2001 ”在广泛借鉴已有混合风洞经验的基础上，提出了基于激波管和高压储气罐驱动的可压缩混合风洞。该风洞的高速流动由激波管驱动，低速流动由铝制储气罐供应，是典型的下吹式风洞。风洞喷管段上、下避免分别为高、低速喷管壁，二者之间利用分隔板隔开从而在喷管出口产生马赫数不同的气流。喷管无粘壁面曲线采用特征线法设计，边界层的影响采用经验公式修正。喷管段的下游连接风洞实验段，其尺寸为IOcm宽、40cm高、1. 2m长，实验段上壁面和两侧壁开有光学窗口，以便于光学检测技术实施。由于原激波管是一种炮风洞的驱动系统，相应的混合风洞喷管与实验段实际是放置在该炮风洞的实验段中。国防科技大学博士论文“超声速混合层时空结构的实验研究，赵玉新，2008”设计的超声速混合风洞主要由三部分组成稳定段、双喷管与实验段，相应的配套设备还包括总压调节器以及真空设备等。该风洞的来流可以通过干燥器、除尘机和空调进行处理。总压调节器可以连续调节低速层来流总压，实现混合流场的压力匹配；双喷管以B-样曲线为基础进行设计，能够为混合流场提供均匀的来流条件工作时间长达2分钟以上，可以完全消除风洞启动和关闭的影响。目前，现有喷管设计技术只能设计二维或轴对称喷管，无法设计混合效率较高的三维混合流道。另外，若通过简单的曲面插值而不考虑启动特性，所设计的混合喷管出口截面流场品质难以保证，实验数据分析十分困难
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种超声速混合风洞、混合喷管和混合喷管流道壁面的确定方法，以实现三维混合流道。为此，根据本专利技术的一方面，提供了一种混合喷管流道壁面的确定方法，包括以下步骤给出待确定喷管的出口截面的图形，并且确定图形的外接圆；将外接圆作为假想的圆形喷管的出口截面利用特征线法确定圆形喷管的曲线型面；根据圆形喷管的曲线型面提取流道的流线族；以及确定图形上各点所对应的流线族中的流线，其中，图形上各点的流线构成待确定喷管的流道壁面。进一步地，上述将外接圆作为假想的出口截面利用特征线法确定圆形喷管的曲线型面包括以下步骤根据待确定喷管的进口位置、出口位置和马赫数约束，确定中心线长度和马赫数分布；以及根据出口流场设计约束，确定出口点，根据特征线法确定流道的曲线型面，根据轴对称性得到圆形喷管的曲线型面。根据本专利技术的另一方面，提供了一种超声速混合风洞的混合喷管，包括外喷管和与外喷管同轴设置的内喷管，其中，外喷管和内喷管的流道壁面的形状根据上面所描述的混合喷管流道壁面确定方法来确定。进一步地，上述外喷管的出口截面的图形为方形。进一步地，上述内喷管的进口的截面图形为方形，内喷管的出口的截面图形由方形的每条边呈弧形向对称中心内凹形成。进一步地，上述混合喷管的内喷管的出口伸出外喷管的出口，内喷管的进口缩进外喷管的进口。本专利技术还提供了一种超声速混合风洞，包括依次连接的过渡段、稳定段、喷管段、实验段和扩压段，其特征在于，稳定段和实验段的任一轴向位置的截面为方形，喷管段由根据上面所描述的混合喷管形成。进一步地，上述稳定段为方形截面的外管道和与外管道同轴设置的方形截面的内管道，其中，外管道的入口处设有用以调整低压马赫数气流总压的截流孔板，内管道和外管道均设有整流装置。进一步地，上述整流装置包括用于抑制来流的横向脉动的蜂窝器和用于碎裂旋涡的沙网。进一步地，上述过渡段为预整流管道，预整流管道的进口截面为圆形，出口截面为方形。根据本专利技术的超音速混合风洞，混合喷管为外方内异形的同轴喷管，实现了三维混合流场，提高了混合效率，其流场品质堪比二维或轴对称流场，另外，方形的外喷管和实验段便于观测技术的实施。除了上面所描述的目的、特征、和优点之外，本专利技术具有的其它目的、特征、和优点，将结合附图作进一步详细的说明。附图说明构成本说明书的一部分、用于进一步理解本专利技术的附图示出了本专利技术的优选实施例，并与说明书一起用来说明本专利技术的原理。图中图1是根据本专利技术的超声速混合风洞的示意图2是根据本专利技术的超声速混合风洞的过渡段的结构示意图；图3是图2所示过渡段的端面示意图；图4是根据本专利技术的超声速混合风洞的稳定段的端面示意图；图5是图4所示稳定段的A-A剖视图；图6是根据本专利技术的超声速混合风洞的截流孔板的结构示意图；图7是根据本专利技术的超声速混合风洞的喷管段的立体结构示意图；图8是图7所示喷管段的正面结构示意图；图9是图7所示喷管段的B-B剖视图；图10是图7所示喷管段的前端面示意图；图11是图7所示喷管段的后端面示意图；图12是根据本专利技术的超声速混合风洞的实验段的立体结构示意图；图13是根据本专利技术的超声速混合风洞的扩压段的结构示意图；图14是图13所示扩压段的后端面示意图；图15a、图15b和图15c是根据本专利技术的超声速混合风洞的喷管段的三种出口截面的不意图；图16a、图16b和图16c是根据本专利技术的超声速混合风洞的喷管段的三种出口截面的外接圆的示意图；图17是根据本专利技术的混合喷管的获取方法中假想的圆形喷管的轴线及其马赫数分布的示意图；图18是根据本专利技术的混合喷管的获取方法中假想的圆形喷管的流道设计图；图19是根据本专利技术的混合喷管的获取方法中假想的圆形喷管的流线族的示意图；图20a、图20b和图20c是根据本专利技术的混合喷管的获取方法中外喷管的三种出口截面的定流线的示意图；图21a、图21b和图21c是根据本专利技术的混合喷管的获取方法中内喷管的三种出口截面的定流线的示意图；以及图22是根据本专利技术的混合喷管的获取方法获得的混合喷管的气动型面的线框图。具体实施例方式以下结合附图对本专利技术的实施例进行详细说明，但是本专利技术可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。图1是根据本专利技术的超声速混合风洞的示意图。如图1所示，本专利技术的超声速混合风洞包括顺次连接的过渡段10、稳定段20、喷管段30、实验段40、以及扩压段50。图2和图3示出了根据本专利技术的超声速混合风洞的过渡段的示意性结构。如图2和图3所示，过渡段10的进口 11为圆形，本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种混合喷管流道壁面的确定方法，包括以下步骤：给出待确定喷管的出口截面的图形，并且确定所述图形的外接圆；将所述外接圆作为假想的圆形喷管的出口截面，利用特征线法确定所述圆形喷管的曲线型面；根据所述圆形喷管的曲线型面提取流道的流线族；以及确定所述图形上各点所对应的所述流线族中的流线，其中，所述图形上各点的流线构成所述待确定喷管的流道壁面。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：赵玉新，赵延辉，马志成，
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：
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