CN102998085B - 混合喷管流道壁面确定方法、混合喷管及超声速混合风洞 - Google Patents

Abstract

本发明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。

Description

混合喷管流道壁面确定方法、混合喷管及超声速混合风洞

技术领域

本发明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。

背景技术

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“Anexperimentalinvestigationofhighcompressibilitymixinglayers.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10cm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。

发明内容

本发明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，根据本发明的一方面，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。

根据本发明的另一方面，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。

本发明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。

根据本发明的超音速混合风洞，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，本发明具有的其它目的、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、用于进一步理解本发明的附图示出了本发明的优选实施例，并与说明书一起用来说明本发明的原理。图中：

图1是根据本发明的超声速混合风洞的示意图；

图2是根据本发明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是根据本发明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是根据本发明的超声速混合风洞的截流孔板的结构示意图；

图7是根据本发明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是根据本发明的超声速混合风洞的实验段的立体结构示意图；

图13是根据本发明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是根据本发明的超声速混合风洞的喷管段的三种出口截面的示意图；

图16a、图16b和图16c是根据本发明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是根据本发明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是根据本发明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是根据本发明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是根据本发明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是根据本发明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是根据本发明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。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

图1是根据本发明的超声速混合风洞的示意图。如图1所示，本发明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示出了根据本发明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，过渡为方形的出口12，用于对气体进行初步的整流。

图4和图5示出了根据本发明的超声速混合风洞的稳定段的示意性结构。如图4和图5所示，稳定段20内部采用同心方形结构，包括方形截面的外管道21和与外管道21同轴设置的方形截面的内管道22，外管道21的入口处设有用以调整低压马赫数气流总压的截流孔板。

图6示出了根据本发明的超声速混合风洞的截流孔板的示意性结构。如图6所示，该截流孔板23居中设有方形孔23a，四周均布有通孔23b，通过选择孔板的通孔面积，进而能够利用气体粘性效应降低外管道气流总压。

该截流孔板23下游的外管道21和内管道22均设有整流装置（图中未示出），该整流装置包括用于抑制来流的横向脉动的蜂窝器和用于将大尺寸旋涡碎裂为小尺度旋涡的沙网，二者的层数和排列方式可根据流场的均匀度进行组合。

图7至图11示出了根据本发明的超声速混合风洞的喷管段的示意性结构。如图7至图11所示，喷管段30由混合喷管形成，该混合喷管包括方形截面外喷管31和与外喷管31同轴设置的内喷管32，其中，外喷管31的入口要求较出口小。

在本发明中，内喷管32的出口截面可根据需要设定为任意闭合曲线，优选为凸凹相间的不规则的边缘形状，以增强两股气流的混合效果。

在本优选实施例中，内喷管32的进口321的截面图形为方形，内喷管32的出口322的截面图形由方形变型而成，即方形的每条边呈弧形向对称中心内凹形成，如此，在实验段40中获得的流场品质堪比二维或轴对称流场，出口流场均匀度可达1%之内，以满足研究的需要。

其中，内喷管32的进口321缩进外喷管31的进口截面311，内喷管32的出口322伸出外喷管31的出口截面312。

本发明中，方形外喷管31和异形截面内喷管32的双喷管型面形成混合喷管，方形外喷管保证实验段40是规则的矩形。

图12示出了根据本发明的超声速混合风洞的实验段的示意性结构。如图12所示，实验段40为框体结构，其任一位置的截面为方形，四壁可安装光学玻璃，以便于采用光学非接触测试技术对全流场的观测。

图13和图14示出了根据本发明的超声速混合风洞的扩压段的示意性结构。如图13和图14所示，扩压段50为微扩管道，进口51为方形，出口52为圆形，主要用于长时间工作时，起到一定的抗反压作用。

根据本发明，风洞工作时，实验气体经过过渡段10的初步稳定之后，在稳定段20分为两路，进入外管道21的气体通过作为总压调节器的截流孔板调节后经过整流装置流入外喷管31，中心气流直接流经内管道22的整流装置进入内喷管32。两路气体在混合喷管内加速到超声速之后，在混合喷管出口相遇，在实验段40内形成超声速混合流场，之后由扩压段50排出。

在本发明的图15a、图15b和图15c示出了根据本发明的超声速混合风洞的喷管段的三种出口截面。在图15a、15b和15c中外喷管31的出口截面为矩形。在图15a中，内喷管32的出口的截面图形为四瓣形，在图15b中，内喷管32的出口的截面图形为四条边呈弧形内凹的方形，在图15c中，内喷管32的出口的截面图形为六角星形。

本发明的混合喷管的喷管型面以特征线法为基础进行设计，能够优化喷管曲线，减小喷管边界层厚度，提高流场均匀度。

本发明提供的混合喷管的获取方法包括内喷管的流道壁面确定方法和外喷管的流道壁面确定方法，该内喷管和外喷管的流道壁面确定方法均包括以下步骤：

步骤一：根据结构设计要求给出待确定喷管的出口截面的图形。该出口截面的图形如图15a至图15c所示；

步骤二：确定待确定喷管的出口截面的图形的外接圆。该外接圆C1、C2如图16a至图16c所示；

步骤三：基于外接圆作为假想的出口截面利用特征线法设计圆形喷管的曲线型面。具体包括：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A-B长度和马赫数分布，如图17所示；以及根据出口流场设计约束，确定出口点D，根据特征线法设计流道的曲线型面D-C，根据轴对称性，将D-C关于A-B镜像，得到对边壁面D’-C’，从而得到圆形喷管的曲线型面。

步骤四：根据圆形喷管的曲线型面和其内部流场结构提取流道的流线族，所获得的流线族如图5所示。

步骤五：确定图形上各点P1、P2对应于流线族中的流线，其中，图形上各点的流线构成待确定喷管的流道壁面。具体地，根据出口截面的图形确定对应点的径向（轴对称）或Y向（二维）坐标，进而根据上面所获得的流线族确定该点流线，所有流线构成流道壁面的曲面形状。其中，三种出口截面的外喷管的方形截面的定流线方式在图20a、图20b和图20c中示出，三种出口截面的内喷管的出口截面图形的定流线方式在图21a、图21b和图21c中示出。

将根据上述方法获得的内外喷管装配成混合喷管。

风洞工作时，实验气体经过过渡段的初步稳定之后，在稳定段分两路，外围管道气流通过总压调节器调节之后经过整流装置流入外喷管，中心气流直接流经整流装置进入内喷管。两路气体在喷管内加速到超声速之后，在喷管出口相遇，形成超声速混合流场。

图22示出了本发明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。如图22所示，外喷管31的任意轴向位置的截面呈方形，外喷管31的四个壁面31a、31b、31c和31d均为流道型面，而现有技术中仅有两个面为流道型面，其余两个面为直板面，仅能实现二维混合。在本发明中，截面异形的内喷管32的四个壁面均为流道型面，内喷管32的四个流道型面根据出口截面的图形基于特征线法设计得到。

在本发明中，喷管型面是基于特征线法设计。外喷管的出口截面的图形为方形，内喷管的出口截面的图形可根据需要设定，从而形成外方内异型的同轴喷管，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。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种超声速混合风洞的混合喷管，其特征在于，包括外喷管(31)和与所述外喷管(31)同轴设置的内喷管(32)，其中，所述外喷管(31)的出口截面的图形为方形，所述内喷管(32)的进口的截面图形为方形，所述内喷管(32)的出口的截面图形由方形的每条边呈弧形向所述内喷管(32)的出口的截面图形的对称中心内凹形成，所述外喷管(31)和内喷管(32)的流道壁面的形状根据混合喷管流道壁面的确定方法来确定，所述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。

2.根据权利要求1所述的混合喷管，其特征在于，将所述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：

根据所述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，根据轴对称性得到所述圆形喷管的曲线型面。

3.根据权利要求1或2所述的混合喷管，其特征在于，所述内喷管(32)的出口(322)伸出所述外喷管(31)的出口(312)，所述内喷管(31)的进口(321)缩进所述外喷管(31)的进口(311)。

4.一种超声速混合风洞，包括依次连接的过渡段(10)、稳定段(20)、喷管段(30)、实验段(40)和扩压段(50)，其特征在于，所述稳定段(20)和实验段(40)的任一轴向位置的截面为方形，所述喷管段(30)由根据权利要求1至3中任一项所述的混合喷管形成。

5.根据权利要求4所述的超声速混合风洞，其特征在于，所述稳定段(20)为方形截面的外管道(21)和与所述外管道(21)同轴设置的方形截面的内管道(22)，其中，所述外管道(21)的入口处设有用以调整低压马赫数气流总压的截流孔板(23)，所述内管道(22)和外管道(21)均设有整流装置。

6.根据权利要求5所述的超声速混合风洞，其特征在于，所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。

7.根据权利要求4所述的超声速混合风洞，其特征在于，所述过渡段(10)为预整流管道，所述预整流管道的进口截面(11)为圆形，出口截面(12)为方形。