一種超聲速內流流場三維定量重構方法與流程

本發明涉及流體力學技術領域，特別涉及一種超聲速內流流場三維定量重構方法。

背景技術：

高超聲速進氣道是吸氣式高超聲速推進系統關鍵部件之一，其性能直接影響到飛行器的整體性能。而其中三維內轉式高超聲速進氣道相較于其他類型的高超聲速進氣道有著諸多優勢，如氣流捕獲率和壓縮效率高，總壓損失低等，因此倍受各國研究人員關注。

內轉式進氣道有著特殊的三維結構，其內部流場三維性強，波系結構復雜，難以使用傳統的紋影方法進行觀測，壁面靜壓測量也不足以反映內部流場信息。

皮托壓測量方法可以直接得到隔離段出口截面定量的流場信息，并進一步獲取進氣道的總壓恢復系數等性能參數，通常用于進氣道設計階段。文獻“采用新型基準流場的高超內收縮進氣道實驗研究”(作者南向軍)利用皮托壓測量方法對其設計的進氣道進行了實驗研究，定量地獲得了隔離段出口流場的參數分布，進而粗略地估算了進氣道整體性能。然而，僅獲得隔離段出口截面的信息，并不能反映出進氣道及隔離段內部流場沿流向的發展情況。

因此，需要發展更全面的流場測量方法，來定量獲取三維內轉式進氣道及隔離段內流道復雜的內部流動信息。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種超聲速內流流場三維定量重構方法，以便能夠更準確定量獲取超聲速流道內流復雜的內部流動信息，為后續的產品設計和制造提供支持。

為達到上述目的，本發明第一方面提供的超聲速內流流場三維定量重構方法，包括：

步驟1)，在超聲速流道模型的流向上，選取多個相互間隔的橫截面作為測量面；

步驟2)，在每個所述測量面上均選取多個壓力測量點；

步驟3)，獲取每個所述壓力測量點的皮托壓，并且在任意一個所述測量面上，根據該測量面上的所述測量點的皮托壓構建出該測量面的二維截面壓力參數；

步驟4)，根據各個所述測量面的二維截面壓力參數，插值得出所述超聲速流道模型在流向上更多橫截面的二維截面壓力參數，以此重構出所述超聲速流道模型定量的三維流場。

本發明第二方面提供的超聲速內流流場三維定量重構方法，包括：

步驟1)，在超聲速流道模型的流向上，選取多個相互間隔的橫截面作為測量面；

步驟2)，在每個所述測量面上均選取多個壓力測量點；

步驟3)，獲取每個所述壓力測量點的皮托壓，并且在任意一個所述測量面上，根據該測量面上的所述測量點的皮托壓，采用插值法獲取該測量面上更多點的皮托壓，以此構建出該測量面的二維截面壓力參數；

步驟4)，根據各個所述測量面的二維截面壓力參數，插值得出所述超聲速流道模型在流向上更多橫截面的二維截面壓力參數，以此重構出所述超聲速流道模型定量的三維流場。

優選的，所述步驟1)中用到的所述超聲速流道模型，包括進氣段，和與所述進氣段連接且可更換的待測量段，所述待測量段的個數與所述步驟1)中所選取的橫截面的數量一致，且每一個所述待測量段與所述進氣段連接后，其下游端部均與其中一個所述測量面平齊。

優選的，任意一所述待測量段的下游端部均設置有法蘭盤，在所述步驟3)中，所述測量點的皮托壓是通過設置在所述法蘭盤上，并嵌入所述待測量段內的皮托耙測壓器獲取的。

優選的，在所述步驟3)中，所述測量點的皮托壓是通過嵌入所述待測量段內的皮托耙測壓器獲取的，且所述皮托耙通過軸線與所述測量段同軸的尾支桿支撐。

優選的，所述皮托耙測壓器包括：

支撐架，所述支撐架包括多根由同一點呈放射狀延伸的支桿，所述支桿的末端內接于同一圓上，且任意相鄰兩個所述支桿之間的夾角均相等；

皮托管，所述皮托管設置于所述支桿上，且所述皮托管沿每根所述支桿的軸向間隔分布，任意相鄰兩個所述皮托管之間的間距均相等；

與所述皮托管一一對應相連的壓力傳感器。

優選的，所述支桿的數量不少于4個。

優選的，所述步驟1)中用到的所述超聲速流道模型，包括進氣段，和與所述進氣段連接的待測量段，所述待測量段由與所述步驟1)中所選取的橫截面數量一致的子節段組裝形成，且每一個所述子節段的下游端部分別對應其中一個所述測量面。

優選的，相鄰兩個所述子節段通過法蘭連接。

優選的，在所述步驟2)中，還包括：在每個所述測量面位置處的超聲速流道模型壁面上布置靜壓測量點，所述靜壓測量點沿所述模型壁面的周向均勻布置。

可以看出，本發明中所公開的超聲速內流流場三維定量重構方法中，在超聲速流道模型流向上選取了多個相互間隔的測量面，并選取該測量面上的多個點進行皮托壓測量，該測量面上多個點的皮托壓通過數學計算將反映出該測量面的二維截面壓力參數，然后綜合各個測量面上的二維截面壓力參數，加入流體的流向作為第三維坐標，運用數學計算就可以重構出超聲速流道模型在流體的流向上定量的三維流場。

當然，在每一個測量面上，獲取壓力測量點的皮托壓之后，可以采用插值法(如雙調和樣條插值法)將壓力測量點的壓力值插值到更細密的二維網格中，以便得出該測量面上更細密的二維截面壓力參數；同理，在重構超聲速流道模型在流體流向上的三維流場時，可以在流體流向上插值得出超聲速流道模型更多橫截面的二維截面壓力參數，以便重構出更加精細的定量三維流場。

附圖說明

圖1為本發明一種實施例中所公開的超聲速內流流場三維定量重構方法的流程示意圖；

圖2為發明實施例中所公開的超聲速流道模型的結構示意圖；

圖3-圖6為本發明實施例中所公開的可更換待測量段的結構示意圖；

圖7為本發明實施例中所公開的皮托耙的結構示意圖。

具體實施方式

本發明的核心是提供一種超聲速內流流場三維定量重構方法，以便能夠更準確定量獲取超聲速流道內流復雜的內部流動信息，為后續的產品設計和制造提供支持。

為了使本技術領域的人員更好地理解本發明方案，下面結合附圖和具體實施方式對本發明作進一步的詳細說明。

請參考圖1，本發明中所公開的超聲速內流流場三維定量重構方法中，包括以下步驟：

1)在超聲速流道模型的流向上，選取多個相互間隔的橫截面作為測量面；

需要進行說明的是，超聲速流道模型的流向具體是指超聲速流道模型中的流體的流向，并且根據流體的流向，超聲速流道模型可以區分出上游和下游。

2)在每個測量面上選取多個壓力測量點；

選取壓力測量點的目的是為了獲取測量面上的二維截面壓力參數，可以理解的是，壓力測量點選取的越多，相鄰兩個壓力測量點之間的間隙越小，則測量面上的二維截面壓力參數越準確可靠。

3)獲取每個壓力測量點上的皮托壓，在任意一個測量面上，根據該測量面上的測量點的皮托壓構建出該測量面的二維截面壓力參數；

采用數學計算方法，可以根據測量面上的壓力測量點的皮托壓計算得出該測量面上的壓力參數分布情況，從而構建出測量面的二維截面壓力參數分布；

4)根據各個測量面的二維截面壓力參數分布，將流體的流向作為第三維度，通過數學計算可以重構出超聲速流道模型在流向上定量的三維流場。

由以上技術方案可以看出，上述重構方法中，先將整個超聲速流道模型分隔成為多個測量節段，將每個節段的下游出口位置作為測量面，選取測量面上的多個點進行皮托壓測量，完成測量后根據這些點的皮托壓可以在二維平面內構建出測量面上的壓力參數分布；然后再加入流體的流向作為第三維坐標，根據流向上多個測量面上的壓力分布參數就可以重構出超聲流道模型在流體流向上定量的三維流場。

為了進一步優化上述方案，本發明還公開了一種實施例，本實施例與上一實施例的區別在于：在步驟3)中，獲取每個壓力測量點的皮托壓之后，根據該測量面上的測量點的皮托壓，采用插值法(主要是雙調和樣條插值法)獲取該測量面上更多點的皮托壓，以便在該測量面上構建更細密的二維截面壓力參數分布，使結果更接近真實情況；同理，在步驟4)中，根據各個測量面的二維截面壓力參數，插值得出所述超聲速流道模型在流向上更多橫截面的二維截面壓力參數，以便重構出更加精細的定量三維流場。

由于插值法為目前數學中公知的常識性方法，因此本案對該方法不再進行贅述。

請參考圖2至圖6，上述實施例中，步驟1)中所用到的超聲速流道模型，包括進氣段和與進氣段連接的待測量段3，進氣段具體可包括進氣道外壓縮段1和進氣道內壓縮段2，待測量段3是可更換的，圖3至圖6代表了四段不同的待測量段，每一個待測量段3與進氣段連接后，待測量段3的下游端部均與其中一個測量面平齊。

如圖2中所示，測量面具體選了四個，分別為第一測量面101、第二測量面102、第三測量面103以及第四測量面104，圖3中的待測量段3與進氣段連接之后，待測量段3的下游(右端)所對應的測量面為第一測量面101，圖4中的待測量段3與進氣段連接之后，待測量段3的下游(右端)所對應的測量面為第二測量面102，圖5中的待測量段3與進氣段連接之后，待測量段3的下游(右端)所對應的測量面為第三測量面103，圖6中的待測量段3與進氣段連接之后，待測量段3的下游(右端)所對應的測量面為第四測量面104。

在本發明中，任意一待測量段3的下游均設置有法蘭盤，上述方法中步驟3)的測量點的皮托壓的獲取是通過皮托耙測壓器獲得的，皮托耙測壓器設置在法蘭盤上，以完成對測量面上選取的測量段壓力的測量。

當然，皮托耙還可以通過尾支桿進行支撐，尾支桿的軸線與待測量段同軸，尾支桿支撐皮托耙嵌入待測量段內實現測量面上皮托壓的測量。

所謂皮托耙，具體是多個皮托管設置在支撐架上之后類似于耙狀，如圖7中所示，皮托耙測壓器具體包括支撐架201、皮托管202以及與皮托管202相連的壓力傳感器，支撐架201包括多根由同一點呈放射狀延伸的支桿，支桿的末端內接于同一圓上，并且任意相鄰兩個支桿之間的夾角均相等，以保證皮托管202在測量面的圓周方向上均勻分布，皮托管202設置在支桿上，皮托管202沿每根支桿的軸向間隔分布，任意相鄰兩個皮托管202之間的間距均相等，皮托管202的端部應當處于迎風面，且與測量面平齊，壓力傳感器與皮托管202相連以獲取壓力測量帶點的壓力。

為了達到理想的測量效果，支撐架上支桿的數量不少于4個，當支桿為4個時，將形成“十”字形支撐架，當支桿數量為8個時，將形成“米”字形支撐架，當然，其他數量的支撐桿也是被允許的，其前提保證充足的測量密度，并且不堵塞流體的流動。

除此之外，本發明實施例中還公開了一種超聲速流道模型，該模型同樣由進氣段和待測量段形成，待測量段由多段子節段組裝形成，子節段的數量與步驟1)中選取的測量面數量一致，并且每一個子節段的下游端部分別對應其中的一個測量面。在該種情況下，相鄰兩個子節段之間優選的通過法蘭連接。

更進一步的，本實施例中所公開的內流場三維定量重構方法中，在上述實施例的基礎上進行了優化，在步驟2)中，還包括：在每個所述測量面位置處的超聲速流道模型壁面上布置靜壓測量點，所述靜壓測量點沿所述模型壁面的周向均勻布置。

通過布置靜壓測量點，可以利用測量的靜壓值線性差值得到測量面上各皮托壓測量點處的靜壓，再通過靜壓和皮托壓估算出測量面的馬赫數分布以及總壓恢復系數等截面參數。

以上對本發明所提供的超聲速內流流場三維定量重構方法進行了詳細介紹。本文中應用了具體個例對本發明的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例的說明只是用于幫助理解本發明的方法及其核心思想。應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以對本發明進行若干改進和修飾，這些改進和修飾也落入本發明權利要求的保護范圍內。