專利名稱：軸對稱連續變馬赫數噴管及其壁面確定方法
技術領域：
本發明涉及超聲速噴管設計技術領域，具體而言，涉及一種軸對稱連續變馬赫數噴管及其壁面確定方法。
背景技術：
超聲速/高超聲速噴管廣泛的應用于高速飛機、火箭、超聲速風洞、高能激光器、引射真空泵等設備中，噴管流場品質對設備的性能具有重要的影響。通過一定的設計技術獲取適當的噴管壁面曲線，可以大大改善噴管流場品質，提高設備性能，節省研究經費。超聲速噴管一般由收縮段和擴張段組成，在一定壓力驅動下，氣體在收縮段逐漸加速，并在喉部附近達到聲速，然后在擴張段繼續加速，直至在出口形成所需要馬赫數和流動方向角分布的超聲速氣流。隨著現代空氣動力學的高速發展和廣泛應用，連續變馬赫數噴管具有越來越重要的應用前景。特別是在風洞領域，配有連續變馬赫數噴管的風洞可以模擬飛行器加速、減速、巡航等狀態，一次實驗相當于傳統單馬赫數噴管幾十次甚至上百次實驗，而且更接近實際的飛行環境。然而，由于高馬赫數風洞只能采用塞式噴管構型才能實現變馬赫數，相應的流場品質無法保證，出口馬赫數最大相對誤差可達20% 30%。現有技術中提出了一種塞錐式噴管設計方法，該噴管由多個內噴管、塞錐組成，內噴管為軸對稱結構，塞錐設計為瓦狀曲面，內噴管可分為收斂段、喉部、擴張段，內噴管和塞錐為一體設計。專著《風洞設計原理》(伍榮林、王振羽編著，北京航空學院出版社，1985年)給出了一種中心滑塊式噴管，這種噴管通過調整位于收縮段中的滑塊的前后移動，形成尺寸不同的喉部截面，并使滑塊與外壁共同構成不同的噴管曲線。由于對流場品質并沒有很高的要求，軸對稱變馬赫數噴管在過去的實驗研究和工程應用中沒有很迫切的需求，但隨著航空航天技術的發展，現有設計技術已經難以滿足工程要求。現有技術中已有的軸對稱變馬赫數噴管存在下述問題:1、僅僅通過流量和馬赫數的關系式約束噴管喉部曲線和塞錐曲線，未考慮流動的二維與三維特征；2、塞錐型面設計未考慮消波，導致出口流場品質很差，甚至馬赫數不均勻度高于30%以上，對實驗數據的精度影響很大。
發明內容
本發明旨在提供一種軸對稱連續變馬赫數噴管及其壁面確定方法，該軸對稱連續變馬赫數噴管的流場均勻度高，出口流場品質好。為了實現上述目的，根據本發明的一個方面，提供了一種軸對稱連續變馬赫數噴管的壁面確定方法，包括:根據噴管結構設計要求，確定旋轉軸線、已知壁面曲線、與該已知壁面曲線相配合的塞錐壁面曲線、以及塞錐機構進動距離與馬赫數的關系曲線；根據塞錐機構進動距離與馬赫數的關系曲線，利用特征線法確定塞錐機構處于當前位置時所對應的待求壁面曲線；改變塞錐機構在旋轉軸線上的位置，確定各段待求壁面曲線；根據已知壁面曲線、與該已知壁面曲線相配合的塞錐壁面曲線、以及各段待求壁面曲線確定軸對稱連續變馬赫數噴管的壁面。進一步地，根據噴管結構設計要求，確定旋轉軸線、已知壁面曲線、與該已知壁面曲線相配合的塞錐壁面曲線、以及塞錐機構進動距離與馬赫數的關系曲線的步驟包括:根據噴管工作馬赫數范圍，采用特征線法確定最低馬赫數時的噴管壁面曲線，并使塞錐壁面曲線的終點與噴管壁面曲線的起點在旋轉軸線上的坐標相等；獲取噴管最低馬赫數工作點，并以該工作點作為起始馬赫數工作點。進一步地，根據塞錐機構進動距離與馬赫數的關系曲線，利用特征線法確定塞錐機構處于當前位置時所對應的待求壁面曲線的步驟包括:將塞錐壁面曲線沿軸線向下游移動一段距離，使得已知壁面曲線的遠離噴管出口的一端到塞錐面的垂直距離滿足膨脹比的約束，根據起始馬赫數工作點以及塞錐機構進動距離與馬赫數的`關系曲線確定塞錐機構當前位置處的噴管出口馬赫數；根據已知壁面曲線和當前的噴管出口馬赫數，利用特征線法確定出口特征線；根據已知壁面曲線和出口特征線，利用特征線法確定已知壁面曲線在入口處端點位置的逆推特征線；以該逆推特征線與塞錐壁面曲線的交點為起點，根據該起點的馬赫數以及跨聲速初值線方程通過特征線法及其迭代公式確定跨聲速初始特征線；根據已確定的逆推特征線和跨聲速初始特征線，利用特征線法確定當前狀態下的待求壁面曲線，其中，當前狀態下的待求壁面曲線的一端與已知壁面曲線的遠離出口的端點相銜接。進一步地，確定當前狀態下的待求壁面曲線之后，改變塞錐機構在旋轉軸線上的位置，確定各段待求壁面曲線步驟包括:再將塞錐沿軸線向下游移動一段距離，使得前一段確定的待求壁面曲線的遠離噴管出口的一端到塞錐面的垂`直距離滿足膨脹比的約束，根據已確定的待求壁面曲線和已知壁面曲線組成的壁面曲線和塞錐機構進動距離與馬赫數的關系曲線確定塞錐機構當前位置處的噴管出口馬赫數，利用特征線法確定新的出口特征線；根據已確定的待求壁面曲線和已知壁面曲線組成的壁面曲線以及新的出口特征線，利用特征線法確定已確定的待求壁面曲線和已知壁面曲線組成的壁面曲線在入口處的新的逆推特征線；以該新的逆推特征線與塞錐壁面曲線的交點為起點，根據該起點的馬赫數以及跨聲速初值線方程通過特征線法及其迭代公式確定新的跨聲速初始特征線；根據已確定的新的逆推特征線和新的跨聲速初始特征線，利用特征線法確定當前狀態下的待求壁面曲線；根據已確定的新的逆推特征線和新的跨聲速初始特征線，利用特征線法確定新的當前狀態下的待求壁面曲線；依次重復上述過程，直至達到最高馬赫數，確定各待求壁面曲線。進一步地，特征線法的迭代公式為:
權利要求
1.一種軸對稱連續變馬赫數噴管的壁面確定方法，其特征在于，包括: 根據噴管結構設計要求，確定旋轉軸線、已知壁面曲線、與該已知壁面曲線相配合的塞錐壁面曲線、以及塞錐機構進動距離與馬赫數的關系曲線； 根據所述塞錐機構進動距離與馬赫數的關系曲線，利用特征線法確定所述塞錐機構處于當前位置時所對應的待求壁面曲線； 改變所述塞錐機構在旋轉軸線上的位置，確定各段待求壁面曲線； 根據所述已知壁面曲線、與該已知壁面曲線相配合的所述塞錐壁面曲線、以及各段待求壁面曲線確定所述軸對稱連續變馬赫數噴管的壁面。
2.根據權利要求1所述的軸對稱連續變馬赫數噴管的壁面確定方法，其特征在于，所述根據噴管結構 設計要求，確定旋轉軸線、已知壁面曲線、與該已知壁面曲線相配合的塞錐壁面曲線、以及塞錐機構進動距離與馬赫數的關系曲線的步驟包括: 根據噴管工作馬赫數范圍，采用所述特征線法確定最低馬赫數時的噴管壁面曲線，并使所述塞錐壁面曲線的終點與所述噴管壁面曲線的起點在旋轉軸線上的坐標相等； 獲取噴管最低馬赫數工作點，并以該工作點作為起始馬赫數工作點。
3.根據權利要求2所述的軸對稱連續變馬赫數噴管的壁面確定方法，其特征在于，所述根據所述塞錐機構進動距離與馬赫數的關系曲線，利用特征線法確定塞錐機構處于當前位置時所對應的待求壁面曲線的步驟包括: 將所述塞錐壁面曲線沿所述軸線向下游移動一段距離，使得已知壁面曲線的遠離噴管出口的一端到塞錐面的垂直距離滿足膨脹比的約束，根據所述起始馬赫數工作點以及所述塞錐機構進動距離與馬赫數的關系曲線確定所述塞錐機構當前位置處的噴管出口馬赫數； 根據所述已知壁面曲線和當前的噴管出口馬赫數，利用所述特征線法確定出口特征線.根據所述已知壁面曲線和所述出口特征線，利用所述特征線法確定所述已知壁面曲線在入口處端點位置的逆推特征線； 以該逆推特征線與所述塞錐壁面曲線的交點為起點，根據該起點的馬赫數以及跨聲速初值線方程通過所述特征線法及其迭代公式確定跨聲速初始特征線； 根據已確定的所述逆推特征線和跨聲速初始特征線，利用所述特征線法確定當前狀態下的待求壁面曲線，其中，所述當前狀態下的待求壁面曲線的一端與所述已知壁面曲線的遠離出口的端點相銜接。
4.根據權利要求3所述的軸對稱連續變馬赫數噴管的壁面確定方法，其特征在于，確定所述當前狀態下的待求壁面曲線之后，所述改變所述塞錐機構在旋轉軸線上的位置，確定各段待求壁面曲線步驟包括: 再將所述塞錐沿所述軸線向下游移動一段距離，使得前一段確定的待求壁面曲線的遠離所述噴管出口的一端到所述塞錐面的垂直距離滿足所述膨脹比的約束，根據已確定的待求壁面曲線和已知壁面曲線組成的壁面曲線和所述塞錐機構進動距離與馬赫數的關系曲線確定所述塞錐機構當前位置處的噴管出口馬赫數，利用所述特征線法確定新的出口特征線.根據已確定的待求壁面曲線和已知壁面曲線組成的壁面曲線以及新的出口特征線，利用所述特征線法確定所述已確定的待求壁面曲線和已知壁面曲線組成的壁面曲線在入口處的新的逆推特征線； 以該新的逆推特征線與所述塞錐壁面曲線的交點為起點，根據該起點的馬赫數以及跨聲速初值線方程通過所述特征線法及其迭代公式確定新的跨聲速初始特征線； 根據已確定的所述新的逆推特征線和新的跨聲速初始特征線，利用所述特征線法確定當前狀態下的待求壁面曲線； 根據已確定的所述新的逆推特征線和新的跨聲速初始特征線，利用所述特征線法確定新的當前狀態下的待求壁面曲線； 依次重復上述過程，直至達到最高馬赫數，確定各所述待求壁面曲線。
5.根據權利要求1所述的軸對稱連續變馬赫數噴管的壁面確定方法，其特征在于，所述特征線法的迭代公式為:
6.根據權利要求4所述的軸對稱連續變馬赫數噴管的壁面確定方法，其特征在于，所述跨聲速初始特征線根據下列跨聲速初值線方程確定:
7.根據權利要求1至6中任一項所述的軸對稱連續變馬赫數噴管的壁面確定方法，其特征在于，所述特征線法包括預估步和校正步，所述校正步根據所述預估步的結果進行校正。
8.一種軸對稱連續變馬赫數噴管，其特征在于，所述軸對稱連續變馬赫數噴管的壁面由權利要求1至7中任一項所述的軸對稱連續變馬赫數噴管的壁面確定方法來確定。
9.一種軸對稱連續變馬赫數噴管，其特征在于，包括已知塞錐壁面、已知壁面、以及連接所述已知塞錐壁面和所述已知壁面的待求壁面，其中，所述待求壁面根據塞錐機構進動距離與馬赫數的關系曲線利用特征線法逐步確定。
全文摘要
本發明公開了一種軸對稱連續變馬赫數噴管及其壁面確定方法。該方法包括根據噴管結構設計要求，確定旋轉軸線、已知壁面曲線、與該已知壁面曲線相配合的塞錐壁面曲線以及塞錐機構進動距離與馬赫數的關系曲線；根據塞錐機構進動距離與馬赫數的關系曲線利用特征線法確定塞錐機構處于當前位置時所對應的待求壁面曲線；改變塞錐機構在旋轉軸線上的位置，逐步確定各段待求壁面曲線；根據已知壁面曲線、與該已知壁面曲線相配合的塞錐壁面曲線以及各段待求壁面曲線確定軸對稱連續變馬赫數噴管的壁面。本發明的確定方法確定的軸對稱連續變馬赫數噴管的流場不均勻度低于1%，比傳統的技術提高了一個數量級，噴管馬赫數對進動距離的敏感性可控。
文檔編號G06F17/50GK103150423SQ20131004571
公開日2013年6月12日 申請日期2013年2月5日 優先權日2013年2月5日
發明者王振國, 趙玉新 申請人:中國人民解放軍國防科學技術大學