專利名稱：超聲速非均勻流噴管及其設(shè)計方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及流體動力領(lǐng)域，具體而言，涉及一種超聲速非均勻流噴管及其設(shè)計方法。
背景技術(shù)：
超聲速/高超聲速噴管廣泛的應(yīng)用于高速飛機(jī)、火箭、超聲速風(fēng)洞、高能激光器、 引射真空泵等設(shè)備中，噴管流場品質(zhì)對設(shè)備的性能具有重要的影響。通過一定的設(shè)計技術(shù)獲取適當(dāng)?shù)膰姽鼙诿媲€，可以大大改善噴管流場品質(zhì)，提高設(shè)備性能，節(jié)省研究經(jīng)費(fèi)。超聲速噴管一般由收縮段和擴(kuò)張段組成，在一定壓力驅(qū)動下，氣體在收縮段逐漸加速，并在喉部附近達(dá)到聲速，然后在擴(kuò)張段繼續(xù)加速，直至在出口形成所需要的馬赫數(shù)和流動方向角分布的超聲速氣流。隨著現(xiàn)代流動機(jī)理研究的發(fā)展，非均勻流場對剪切層、邊界層、激波等流動結(jié)構(gòu)的影響越來越需要關(guān)注，通過一定的噴管技術(shù)產(chǎn)生所需要的非均勻流可用于模擬實(shí)際存在的流動特征。根據(jù)空氣動力學(xué)基本原理可知，要產(chǎn)生一定的非均勻超聲速流動，除了噴管截面應(yīng)是先收縮后擴(kuò)張的結(jié)構(gòu)外，還應(yīng)保證一定的壁面形狀才能得到所需要的馬赫數(shù)與流動方向角分布。本發(fā)明所要設(shè)計的非均勻流噴管不同于傳統(tǒng)的風(fēng)洞噴管，傳統(tǒng)的風(fēng)洞噴管設(shè)計目標(biāo)是獲取盡可能均勻的流場，非均勻流噴管設(shè)計的目標(biāo)是獲取指定分布的非均勻流場。 從幾何結(jié)構(gòu)的角度來看，非均勻流噴管可能是對稱的也可能是非對稱的，因此非均勻流噴管的設(shè)計目標(biāo)也不同于非對稱噴管。非均勻流噴管壁面幾何特征及其對應(yīng)的內(nèi)部流動特性有別于傳統(tǒng)的風(fēng)洞噴管，這給相應(yīng)的設(shè)計方法帶來了一定的困難。雖然目前已有多種較為成熟的二維或軸對稱噴管設(shè)計方法，可以實(shí)現(xiàn)較高的出口流場品質(zhì)，但由于非均勻流噴管的特殊性，已有方法不能直接擴(kuò)展到非均勻流噴管型面曲線的設(shè)計中。其面臨的主要問題包括以下幾個方面一是已有的流動模型和經(jīng)驗(yàn)公式在什么條件下成立；二是難以實(shí)現(xiàn)消波，無法保證出口流場分布達(dá)到設(shè)計要求；三是壁面邊界層修正如何實(shí)現(xiàn)。專著《超聲速自由旋渦氣動窗口及其光學(xué)質(zhì)量》(易仕和等，國防科技大學(xué)出版社， 2005年)提出了基于最短長度噴管(MLN)的分區(qū)求解的自由旋渦噴管設(shè)計方法(一種典型的非均勻流噴管)，該方法設(shè)計過程如下1.采用MLN設(shè)計方法得到一個對稱噴管型面曲線。2.提取MLN噴管出口邊界的流動參數(shù)，作為非對稱段的入口邊界條件。3.將非對稱段分為均勻流區(qū)、簡單波區(qū)和非簡單波區(qū)等幾個區(qū)域。4.利用自由旋渦關(guān)系式、普朗特-邁耶關(guān)系式和質(zhì)量守恒關(guān)系確定非對稱區(qū)的壁面曲線。采用該方法能夠得到所需要的自由旋渦噴管型面曲線，數(shù)值驗(yàn)證結(jié)果表明，所設(shè)計的噴管型面基本能夠生成所需要的自由旋渦流場。由于非均勻流噴管在過去的實(shí)驗(yàn)研究和工程應(yīng)用中沒有很迫切的需求，過去并沒
4有直接針對非均勻流噴管的設(shè)計技術(shù)。隨著現(xiàn)代計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，基于CFD優(yōu)化算法的氣動外形設(shè)計技術(shù)可以應(yīng)用到非均勻流噴管設(shè)計中，其中有很多問題需要研究。某些沖壓發(fā)動機(jī)尾噴管也屬于非對稱噴管，其目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)最大推力，而不關(guān)心流場結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)。因此，對于非均勻流噴管設(shè)計方法的需求越來越急迫。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在提供一種超聲速非均勻流噴管及其設(shè)計方法，克服了目前并無專門的超聲速非均勻流噴管設(shè)計方法的缺陷，能夠設(shè)計出超聲速非均勻流噴管，產(chǎn)生所需要的非均勻流，并可以連續(xù)消波，消除或者減少集中的壓縮或者膨脹波，保證流場品質(zhì)。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種超聲速非均勻流噴管設(shè)計方法，包括根據(jù)亞聲速段入口直徑確定亞聲速段曲線；根據(jù)出口馬赫數(shù)分布和特征線法確定出口依賴域左行和右行特征線邊界；確定從喉部發(fā)出的初始特征線；根據(jù)出口依賴域左行和右行特征線的流量分配，確定喉部與出口流量相匹配的左行特征線和右行特征線，由此確定喉部超聲速圓弧段跨聲速圓弧段的終止點(diǎn)；連接左行特征線和右行特征線的交點(diǎn)與出口依賴域的頂點(diǎn)，并通過參數(shù)調(diào)整連接曲線的形狀，使連接曲線成為非均勻流噴管的等流量線；通過初始特征線和等流量線根據(jù)質(zhì)量守恒和特征線法確定上下壁面曲線。進(jìn)一步地，特征線法的迭代公式為
權(quán)利要求
1.一種超聲速非均勻流噴管設(shè)計方法，其特征在于，包括 根據(jù)亞聲速段入口直徑確定亞聲速段曲線；根據(jù)出口馬赫數(shù)分布和特征線法確定出口依賴域左行和右行特征線邊界； 確定從喉部發(fā)出的初始特征線；根據(jù)所述出口依賴域左行和右行特征線的流量分配，確定所述喉部與出口流量相匹配的左行特征線和右行特征線，由此確定喉部跨聲速圓弧段的終止點(diǎn)；連接所述左行特征線和右行特征線的交點(diǎn)與所述出口依賴域的頂點(diǎn)，并通過參數(shù)調(diào)整連接曲線的形狀，使所述連接曲線成為非均勻流噴管的等流量線；通過所述初始特征線和所述等流量線根據(jù)質(zhì)量守恒和特征線法確定上下壁面曲線。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲速非均勻流噴管設(shè)計方法，其特征在于，所述特征線法的迭代公式為
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲速非均勻流噴管設(shè)計方法，其特征在于，在確定第二側(cè)壁面曲線之后還包括采用動量積分關(guān)系式的參考溫度解法求解邊界層位移厚度，進(jìn)行邊界層修正，得到實(shí)際使用的壁面曲線，所述動量積分關(guān)系式為
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲速非均勻流噴管設(shè)計方法，其特征在于，在根據(jù)亞聲速段入口直徑確定亞聲速段曲線之前還包括根據(jù)等熵關(guān)系式確定所述喉部面積，所述等熵關(guān)系式為
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的超聲速非均勻流噴管設(shè)計方法，其特征在于，在根據(jù)等熵關(guān)系式確定所述喉部面積之前還包括根據(jù)噴管出口密度、噴管出口速度和噴管出口面積確定噴管流量，所述噴管流量計算公式為m = pVA其中浦為噴管流量，P為噴管出口密度，V為噴管出口速度，A為噴管出口面積。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲速非均勻流噴管設(shè)計方法，其特征在于，在通過所述初始特征線和所述等流量線根據(jù)質(zhì)量守恒和特征線法確定上下壁面曲線之前還包括根據(jù)流場的加速要求，通過三次樣條曲線設(shè)定所述等流量線上的馬赫數(shù)分布，并保證所述馬赫數(shù)的二階導(dǎo)數(shù)連續(xù)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲速非均勻流噴管設(shè)計方法，其特征在于，所述連接曲線為二次樣條曲線。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲速非均勻流噴管設(shè)計方法，其特征在于，所述初始特征線通過下列公式確定
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲速非均勻流噴管設(shè)計方法，其特征在于，所述亞聲速段曲線通過雙圓弧法確定。
10.一種超聲速非均勻流噴管，其特征在于，包括根據(jù)初始特征線和等流量線通過質(zhì)量守恒和特征線法確定的上下壁面曲線所形成的非均勻流噴管壁面，所述等流量線通過參數(shù)調(diào)整連接左行特征線和右行特征線的交點(diǎn)與出口依賴域的頂點(diǎn)的連接曲線確定。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的超聲速非均勻流噴管，其特征在于，還包括根據(jù)出口馬赫數(shù)分布和特征線法確定的出口依賴域左行和右行特征線邊界。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的超聲速非均勻流噴管，其特征在于，還包括根據(jù)所述出口依賴域左行和右行特征線確定的位于所述噴管喉部的與出口流量相匹配的左行特征線和右行特征線。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的超聲速非均勻流噴管，其特征在于，還包括根據(jù)亞聲速段入口直徑確定的亞聲速段曲線。
14.根據(jù)權(quán)利要求10至13中任一項(xiàng)所述的超聲速非均勻流噴管，其特征在于，還包括采用動量積分關(guān)系式的參考溫度解法求解邊界層位移厚度所確定的修正邊界層。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種超聲速非均勻流噴管及其設(shè)計方法。該超聲速非均勻流噴管設(shè)計方法包括根據(jù)亞聲速段入口直徑確定亞聲速段曲線；根據(jù)出口馬赫數(shù)分布和特征線法確定出口依賴域左行和右行特征線邊界；確定從喉部發(fā)出的初始特征線；確定非均勻流噴管的等流量線；通過初始特征線和等流量線根據(jù)質(zhì)量守恒和特征線法確定上下壁面曲線。該超聲速非均勻流噴管設(shè)計方法，能夠設(shè)計出超聲速非均勻流噴管，使超聲速非均勻流噴管產(chǎn)生所需要的非均勻流，并可以連續(xù)消波，消除或者減少集中的壓縮或者膨脹波，保證流場品質(zhì)。根據(jù)本發(fā)明的超聲速非均勻流噴管，使用了上述的超聲速非均勻流噴管設(shè)計方法。
文檔編號B05B1/34GK102218378SQ20111012972
公開日2011年10月19日 申請日期2011年5月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月18日
發(fā)明者劉衛(wèi)東, 梁劍寒, 王振國, 趙玉新 申請人:中國人民解放軍國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)