CN103032423A - 超声速交汇流道及其壁面确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种超声速交汇流道及其壁面确定方法。该超声速交汇流道的壁面确定方法包括：根据超声速交汇流道的设计结构的几何约束确定出口边界和两个入口边界；根据超声速交汇流道的设计结构的几何约束，利用二阶连续曲线，确定超声速交汇流道的两个支流的内壁面曲线；利用特征线法，确定超声速交汇流道与的内壁面曲线相对应的外壁面曲线；利用特征线法，确定超声速交汇流道的总流道的上下壁面曲线；根据两个支流部分的内壁面曲线确定支流部分的内壁面；根据外壁面曲线确定支流部分的外壁面；根据总流道的上下壁面曲线确定总流道的上下壁面。根据本发明的方法设计的超声速交汇流道，可以保证流动的全程均为超声速，其流场均匀且总压损失小。

Description

超声速交汇流道及其壁面确定方法

技术领域

本发明涉及空气动力设计领域，具体而言，涉及一种超声速交汇流道及其壁面确定方法。

背景技术

随着现代空气动力学研究的发展，超声速流动的混合技术在实验研究领域发挥了日益重要的作用。超声速交汇流道是一种典型的将不同的超声速流场汇合成一股超声速气流的部件。超声速气流交汇很容易产生激波，其影响主要包括两个方面，一是通过激波之后会有总压损失，降低气流的做功能力，二是激波与边界层的相互作用会引起流动分离，甚至堵塞整个流道。

现有的交汇流道设计主要是用于一般的三通流动，由于未考虑超声速气流流动的特点，不可避免地会出现激波，导致总压损失、气流畸变。与此同时，现有的设计方法还还会将超声速气流降至亚声速，其流场也不均匀，总压损失非常大。

发明内容

本发明旨在提供一种超声速交汇流道及其壁面确定方法，能够获得一种将多股超声速气流汇合成一股气，不产生激波、流场均匀、总压损失小的无激波超声速交汇流道。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种超声速交汇流道的壁面确定方法，包括：根据超声速交汇流道的设计结构的几何约束确定出口边界和两个入口边界；根据超声速交汇流道的设计结构的几何约束，利用二阶连续曲线，确定超声速交汇流道的两个支流的内壁面曲线；根据超声速交汇流道的设计结构的几何约束，利用特征线法，确定超声速交汇流道与两个支流的内壁面曲线相对应的外壁面曲线；根据超声速交汇流道的设计结构的几何约束，利用特征线法，确定超声速交汇流道的总流道的上下壁面曲线；根据两个支流部分的内壁面曲线确定支流部分的内壁面；根据外壁面曲线确定支流部分的外壁面；根据总流道的上下壁面曲线确定总流道的上下壁面。

进一步地，根据超声速交汇流道的设计结构的几何约束确定出口边界和两个入口边界的步骤包括：使空气流动的方向垂直于空气流动所在位置处的出口边界和两个入口边界。

进一步地，确定出口边界和两个入口边界之后，根据超声速交汇流道的设计结构的几何约束，利用二阶连续曲线，确定超声速交汇流道的两条支流的内壁面曲线的步骤包括：根据空气来流条件和两个入口边界的马赫数分布，利用特征线法，确定两个入口边界的影响域及其流场参数。

进一步地，确定入口影响域及其流场参数之后，根据超声速交汇流道的设计结构的几何约束，利用二阶连续曲线，确定超声速交汇流道的两条支流的内壁面曲线的步骤还包括：根据两个入口边界的影响域及其流场参数，利用二阶连续曲线，确定超声速交汇流道的两个支流部分的内壁面曲线，其中，两个支流的内壁面曲线相交于交汇点，使内壁面曲线在入口处的端点的切线方向与入口空气的流动方向相重合；交汇点的切线垂直于出口边界，且该交汇点的切线与出口边界的交点将出口边界分为两段，各线段长度的比值等于各入口边界的入口流量比值。

进一步地，确定内壁面曲线之后，利用特征线法，确定超声速交汇流道的与两个支流部分的内壁面曲线相对应的对边壁面曲线的步骤包括：根据超声速交汇流道的设计结构的几何约束，利用特征线法，确定两个支流部分的内壁面影响域，其中，第一支流的内壁面影响域的远离入口边界的顶点与第一内壁面曲线相交于第一点，第二支流的内壁面影响域的远离入口边界的顶点与第二内壁面曲线相交于第二点。

进一步地，利用特征线法确定内壁面影响域之后，利用特征线法，确定超声速交汇流道的与两个支流部分的内壁面曲线相对应的对边壁面曲线的步骤还包括：根据第一内壁面曲线上的第一点到交汇点之间的马赫数分布以及第二内壁面曲线上的第二点到交汇点之间的马赫数分布，利用特征线法，确定超声速交汇流道的与两个支流部分的内壁面曲线各自相对应的外壁面曲线，其中，两个支流的空气流在交汇点处的压力相等，。

进一步地，确定外壁面曲线之后，根据超声速交汇流道的设计结构的几何约束，利用特征线法，确定超声速交汇流道的总流道的上下壁面曲线的步骤包括：从交汇点做垂直于出口边界的射线，并确定该射线上相应的压力分布，其中，射线的顶点处的压力等于上游空气流的压力，出口处的压力由设计出口压力确定出口处的压力由设计出口压力确定并求出射线上的压力分布，最终确定交汇流道的总流道中的马赫数分布。

进一步地，确定总流道中的马赫数分布之后，根据超声速交汇流道的设计结构的几何约束，利用特征线法，确定超声速交汇流道的总流道的上下壁面曲线的步骤还包括：确定射线上的马赫数分布之后，利用特征线法和质量守恒定律，确定超声速交汇流道的总流道的上下壁面曲线。

进一步地，特征线法包括预估步和校正步，该校正步根据预估步的结果进行校正。

根据本发明的另一方面，提供了一种超声速交汇流道，超声速交汇流道包括位于上游的两个支流流道和位于下游的总流道，两个支流流道交汇后共同连接至总流道，两个支流流道由内壁面曲线和外壁面曲线确定，总流道由上下壁面曲线确定，其中，内壁面曲线由超声速交汇流道设计结构的几何约束利用二阶连续曲线确定；外壁面曲线由超声速交汇流道的壁面的设计结构的几何约束利用特征线法确定；上下壁面曲线由超声速交汇流道的壁面的确定结构的几何约束利用特征线法确定。

应用本发明的技术方案，本发明的超声速交汇流道的壁面确定方法包括：根据超声速交汇流道的设计结构的几何约束确定出口边界和两个入口边界；根据超声速交汇流道的设计结构的几何约束，利用二阶连续曲线，确定超声速交汇流道的两个支流的内壁面曲线；根据超声速交汇流道的设计结构的几何约束，利用特征线法，确定超声速交汇流道与两个支流的内壁面曲线相对应的外壁面曲线；根据超声速交汇流道的设计结构的几何约束，利用特征线法，确定超声速交汇流道的总流道的上下壁面曲线；根据两个支流部分的内壁面曲线确定支流部分的内壁面；根据外壁面曲线确定支流部分的外壁面；根据总流道的上下壁面曲线确定总流道的上下壁面。根据本发明的方法设计的超声速交汇流道，可以保证流动的全程均为超声速，其流场均匀且总压损失小。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了根据本发明的超声速交汇流道及其壁面的确定方法的出口边界和入口边界及其流动方向；

图2示出了根据本发明的超声速交汇流道及其壁面的确定方法形成的入口边界的影响域的示意图；

图3示出了根据本发明的超声速交汇流道及其壁面的确定方法形成的支流道部分的内壁面曲线的示意图；

图4示出了根据本发明的超声速交汇流道及其壁面的确定方法形成的内壁面影响域的示意图；

图5示出了根据本发明的超声速交汇流道及其壁面的确定方法形成的支流道部分的外壁面曲线的示意图；

图6示出了根据本发明的超声速交汇流道及其壁面的确定方法形成的总流道的上下壁面曲线的示意图；

图7示出了根据本发明的超声速交汇流道及其壁面的确定方法的特征线方程的求解过程示意图；以及

图8示出了根据本发明的超声速交汇流道及其壁面的确定方法设计的超声速交汇流道的立体结构示意图。

具体实施方式

下文中将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

本发明中，超声速段的马赫数大于1.2，亚声速段的马赫数小于0.8，跨声速段的马赫数介于0.8至1.2之间。

根据本发明的实施例，超声速交汇流道的壁面通过以下确定方法获得。

如图1所示，首先根据超声速交汇流道的设计结构的几何约束，确定出口边界C和两条入口边界A和B，其中，出口边界C处的空气流动方向垂直于出口边界C，两个入口边界A和B处的空气流动方向分别垂直于对应的入口边界A和B。

确定出口边界C和两个入口边界A和B之后，根据空气来流条件和两个入口边界A和B的马赫数分布，利用特征线法，确定两个入口边界A和B的影响域及其流场参数，其中，入口边界A的两端点分别为1点和2点，入口边界B的两端点分别为1’点和2’点，入口边界A的影响域即三角形1-2-3，入口边界B的影响域即三角形1’-2’-3’，如图2所示。

如图3所示，确定入口影响域1-2-3和1’-2’-3’及其流场参数之后，根据超声速交汇流道的设计结构的几何约束，利用二阶连续曲线，确定超声速交汇流道的两个支流的内壁面曲线2-5和2’-5。其中，两个支流的内壁面曲线相交于交汇点5，并且，内壁面曲线2-5和2’-5在入口处的端点2和2’的切线方向与入口空气的流动方向相重合。交汇点5的切线垂直于出口边界C，且该交汇点5的切线与出口边界C的交点将出口边界分为两段，各线段长度的比值等于各入口边界的入口流量比值。

如图4所示，确定内壁面曲线2-5和2’-5之后，根据超声速交汇流道的设计结构的几何约束，利用特征线法，确定支流部分的内壁面曲线影响域，也即区域2-3-4和2’-3’-4’，其中，第一支流的内壁面影响域2-3-4的远离与其对应的入口边界A的顶点与第一内壁面曲线2-5相交于第一点4，第二支流的内壁面影响域2’-3’-4’的远离与其对应的入口边界B的顶点与第二内壁面曲线2’-5相交于第二点4’。

如图5所示，确定支流部分的内壁面曲线影响域之后，分别设置内壁面曲线2-5上的第一点4和内壁面曲线2’-5上的第二点4’到交汇点5之间的马赫数分布，也即，4-5和4’-5段的马赫数分布，使两个支流的空气流在交汇点5处的压力相等。然后再利用特征线法，确定超声速交汇流道的与内壁面曲线2-5相对的外壁面曲线1-6、与内壁面曲线2’-5相对应的外壁面曲线1’-6以及特征线5-6和5-6’。

如图6所示，确定壁面曲线1-6和1’-6’之后，从交汇点5做垂直于出口边界C的射线5D，并确定该射线上相应的压力分布，其中，射线5D的顶点5处的压力等于上游空气流的压力，出口边界C处的压力由设计的出口压力确定，根据出口压力反求射线5D上的压力分布，利用特征线法求解区域确定总流道区域的马赫数分布。

根据已经确定的总流道内的马赫数分布、特征线5-6，利用特征线法和质量守恒定律，在射线5D上迭代计算到点7，确定超声速交汇流道的总流道的上壁面曲线6-7’；同时根据已经确定的射线5D上的马赫数分布、特征线5-6’，利用特征线法和质量守恒，确定对应的超声速交汇流道的总流道的下壁面曲线6’-8’。由7点引出的左行7-8’与总流道的下壁面曲线6’-8’交于点8’，右行特征线7-7’总流道的上壁面曲线6-7’交于点7’，其中点7’在边界C远离入口边界A和B的一侧，由边界C的约束条件可确定下壁面终点8’点对应的上壁面终点8，进而可得到完整的壁面曲线。此处的上下只是针对设计出来的超声速分流流道而言，并不对其使用形成限制，即此处的上下并不代表实际使用中的上下方位。

根据本发明的方法，由内壁面曲线2-5和与之相对的外壁面曲线1-6确定超声速交汇流道的第一支流流道；由内壁面曲线2’-5和与之相对应的外壁面曲线1’-6确定超声速交汇流道的第二支流流道；由总流道的上壁面曲线6-8和下壁面曲线6’-8’确定超声速交汇流道的总流道，完成整个超声速交汇流道的设计。

其中利用特征线法对壁面曲线求解的过程如图7所示。

假设已知壁面曲线上的两点(x₁,r₁,M₁,θ₁,)，(x₂,r₂,M₂,θ₂)，需要求解第三点(x₃,r₃,M₃,θ₃)时，可利用图7示的过程进行求解。

在求解过程中，首先根据预估步对第三点进行求解，然后对求解值进行校正，获得校正之后的第三点的坐标、马赫数和流动方向角。

预估步包括：

先求解(x₃,r₃)，

μ₁＝sin^-1(1/M₁)

μ₂=sin^-1(1/M₂)

h₁=tan[θ₁+μ₁]

h₂=tan[θ₂-μ₂]

根据差分方程有：

r₃-r₁=h₁(x₃-x₁)

r₃-r₂=h₂(x₃-x₂)

两式相减可得：

r₁-r₂={h₂-h₁}x₃+x₁h₁-x₂h₂

求得第三点的坐标

$\left\{\begin{array}{c}{x}_3=\frac{(r_1-r_2)-(x_1{h}_1-x_2{h}_2)}{h_2-h_1}\\ r_3=h_1(x_3-x_1)+r_1\end{array}\right.---\left(1\right)$

下面求解相容性关系式：

令：

$g_1=\frac{{({M_1}^2-1)}^{1/2}}{1+(\mathrm{\γ}-1)M_1^2/2}\frac{1}{M_1}$

$g_2=\frac{{({M_2}^2-1)}^{1/2}}{1+(\mathrm{\γ}-1)M_2^2/2}\frac{1}{M_2}$

$f_1=\mathrm{\δ}\frac{\tan \mathrm{\θ}}{{(M^2-1)}^{1/2}\tan \mathrm{\θ}+1}\frac{r_3-r_1}{r_1}$

$f_2=\mathrm{\δ}\frac{\tan \mathrm{\θ}}{{(M^2-1)}^{1/2}\tan \mathrm{\θ}-1}\frac{r_3-r_2}{r_2}$

则有：

g₁(M₃-M₁)-(θ₃-θ₁)-f₁=0

g₂(M₃-M₂)+(θ₃-θ₂)-f₂=0

从而获得第三点所在位置处的马赫数和流动方向角：

$M_3=\frac{f_1-{\mathrm{\θ}}_1+g_1{M}_1+f_2+{\mathrm{\θ}}_2+g_2{M}_2}{g_1+g_2}$

θ₃=g₁(M₃-M₁)+θ₁-f₁

μ₃＝sin^-1(1/M₃)

上述公式中，M₁为第一点所在位置处的马赫数，μ₁为第一点所在位置处的马赫角，θ₁为第一点所在位置处的流动方向角，x₁为第一点所在位置处的横坐标，r₁为第一点所在位置处的纵坐标，γ为气体的定压比热与定容比热的比热比，M为当地马赫数且M>1，δ为流动类型参数，对于二维流动δ=0，三维轴对称流动δ=1,r≠0。

M₂为第二点所在位置处的马赫数，μ₂为第二点所在位置处的马赫角，θ₂为第二点所在位置处的流动方向角，x₂为第二点所在位置处的横坐标，r₂为第二点所在位置处的纵坐标。

M₃为第三点所在位置处的马赫数，μ₃为第三点所在位置处的马赫角，θ₃为第三点所在位置处的流动方向角，x₃为第三点所在位置处的横坐标，r₃为第三点所在位置处的纵坐标。

在预估步中求解出第三点所在位置处的坐标、马赫数和流动方向角之后，对方程的系数或参数取平均值重复预估步的计算过程，对第三点的马赫数和流动方向角进行校正。这个参数或者系数平均值可通过求得的第三点的马赫数和流动方向角进行求解，令

${M_1}^{\′}=\frac{(M_1+M_3)}{2}$

${M_2}^{\′}=\frac{(M_1+M_3)}{2}$

其中M₁'为第一点进行校正后的马赫数平均值，M₂'为第二点进行校正后的马赫数平均值，然后将M₁'和M₂'的值代入预估步中继续进行求解，直至最终校正步求得的第三点马赫数与预估步中求得的第三点马赫数M₃相等位置，此时的第三点所处位置处的马赫数为校正之后的最终的马赫数。同理，第三点所在位置处的流动方向角也可以通过校正步获得最终的流动方向角。

如图8所示，根据本发明的实施例，提供了一种超声速交汇流道，该超声速交汇流道包括位于上游的两个支流流道10和位于下游的总流道20，两个支流流道10交汇后共同连接至总流道20，两个支流流道10由内壁面曲线和外壁面曲线确定，总流道20由上下壁面曲线确定，其中，内壁面曲线由超声速交汇流道设计结构的几何约束利用二阶连续曲线确定；外壁面曲线由超声速交汇流道的壁面的设计结构的几何约束利用特征线法确定；上下壁面曲线由超声速交汇流道的壁面的确定结构的几何约束利用特征线法确定。

从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：根据超声速交汇流道的设计结构的几何约束确定出口边界和两个入口边界；根据超声速交汇流道的设计结构的几何约束，利用二阶连续曲线，确定超声速交汇流道的两个支流的内壁面曲线；根据超声速交汇流道的设计结构的几何约束，利用特征线法，确定超声速交汇流道与两个支流的内壁面曲线相对应的外壁面曲线；根据超声速交汇流道的设计结构的几何约束，利用特征线法，确定超声速交汇流道的总流道的上下壁面曲线；根据两个支流部分的内壁面曲线确定支流部分的内壁面；根据外壁面曲线确定支流部分的外壁面；根据总流道的上下壁面曲线确定总流道的上下壁面。根据本发明的方法设计的超声速交汇流道，可以保证流动的全程均为超声速，其流场均匀且压力损失小。

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 (10)

1.一种超声速交汇流道的壁面确定方法，其特征在于，包括：

根据超声速交汇流道的设计结构的几何约束确定出口边界和两个入口边界；

根据所述超声速交汇流道的设计结构的几何约束，利用二阶连续曲线，确定所述超声速交汇流道的两个支流的内壁面曲线；

根据所述超声速交汇流道的设计结构的几何约束，利用特征线法，确定所述超声速交汇流道与两个所述支流的内壁面曲线相对应的外壁面曲线；

根据所述超声速交汇流道的设计结构的几何约束，利用所述特征线法，确定所述超声速交汇流道的总流道的上下壁面曲线；

根据两个所述支流部分的内壁面曲线确定所述支流部分的内壁面；

根据所述外壁面曲线确定支流部分的外壁面；

根据所述总流道的上下壁面曲线确定所述总流道的上下壁面。

2.根据权利要求1所述的超声速交汇流道的壁面确定方法，其特征在于，所述根据超声速交汇流道的设计结构的几何约束确定出口边界和两个入口边界的步骤包括：

使空气流动的方向垂直于空气流动所在位置处的所述出口边界和两个所述入口边界。

3.根据权利要求2所述的超声速交汇流道的壁面确定方法，其特征在于，确定所述出口边界和两个所述入口边界之后，所述根据所述超声速交汇流道的设计结构的几何约束，利用所述二阶连续曲线，确定所述超声速交汇流道的两条支流的内壁面曲线的步骤包括：

根据空气来流条件和两个所述入口边界的马赫数分布，利用所述特征线法，确定两个所述入口边界的影响域及其流场参数。

4.根据权利要求3所述的超声速交汇流道的壁面确定方法，其特征在于，确定所述入口影响域及其流场参数之后，所述根据所述超声速交汇流道的设计结构的几何约束，利用所述二阶连续曲线，确定所述超声速交汇流道的两条支流的内壁面曲线的步骤还包括：

根据两个所述入口边界的影响域及其流场参数，利用所述二阶连续曲线，确定所述超声速交汇流道的两个支流部分的内壁面曲线，其中，两个所述支流的内壁面曲线相交于交汇点，使所述内壁面曲线在入口处的端点的切线方向与入口空气的流动方向相重合；

所述交汇点的切线垂直于所述出口边界，且该交汇点的切线与所述出口边界的交点将所述出口边界分为两段，各线段长度的比值等于各所述入口边界的入口流量比值。

5.根据权利要求4所述的超声速交汇流道的壁面确定方法，其特征在于，确定所述内壁面曲线之后，所述利用所述特征线法，确定所述超声速交汇流道的与两个所述支流部分的内壁面曲线相对应的对边壁面曲线的步骤包括：

根据所述超声速交汇流道的设计结构的几何约束，利用所述特征线法，确定所述两个支流部分的内壁面影响域，其中，第一支流的内壁面影响域的远离所述入口边界的顶点与第一内壁面曲线相交于第一点，第二支流的内壁面影响域的远离所述入口边界的顶点与第二内壁面曲线相交于第二点。

6.根据权利要求5所述的超声速交汇流道的壁面确定方法，其特征在于，利用所述特征线法确定所述内壁面影响域之后，所述利用所述特征线法，确定所述超声速交汇流道的与两个所述支流部分的内壁面曲线相对应的对边壁面曲线的步骤还包括：

根据所述第一内壁面曲线上的所述第一点到所述交汇点之间的马赫数分布以及所述第二内壁面曲线上的第二点到所述交汇点之间的马赫数分布，利用所述特征线法，确定所述超声速交汇流道的与两个所述支流部分的内壁面曲线各自相对应的外壁面曲线，其中，两个所述支流的空气流在所述交汇点处的压力相等。

7.根据权利要求6所述的超声速交汇流道的壁面确定方法，其特征在于，确定所述外壁面曲线之后，所述根据所述超声速交汇流道的设计结构的几何约束，利用所述特征线法，确定所述超声速交汇流道的总流道的上下壁面曲线的步骤包括：

从所述交汇点做垂直于出口边界的射线，并确定该射线上相应的压力分布，其中，射线的顶点处的压力等于上游空气流的压力，出口处的压力由设计出口压力确定并求出所述射线上的压力分布，最终确定所述交汇流道的所述总流道中的马赫数分布。

8.根据权利要求7所述的超声速交汇流道的壁面确定方法，其特征在于，确定所述射线的马赫数分布之后，所述根据所述超声速交汇流道的设计结构的几何约束，利用所述特征线法，确定所述超声速交汇流道的总流道的上下壁面曲线的步骤还包括：

确定所述总流道中的马赫数分布之后，利用所述特征线法和质量守恒定律，确定所述超声速交汇流道的总流道的上下壁面曲线。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的超声速交汇流道的壁面确定方法，其特征在于，所述特征线法包括预估步和校正步，该校正步根据所述预估步的结果进行校正。

10.一种超声速交汇流道，其特征在于，所述超声速交汇流道包括位于上游的两个支流流道和位于下游的总流道，两个所述支流流道交汇后共同连接至所述总流道，所述两个支流流道由内壁面曲线和外壁面曲线确定，总流道由上下壁面曲线确定，其中，所述内壁面曲线由超声速交汇流道设计结构的几何约束利用二阶连续曲线确定；所述外壁面曲线由所述超声速交汇流道的壁面的设计结构的几何约束利用特征线法确定；所述上下壁面曲线由所述超声速交汇流道的壁面的确定结构的几何约束利用所述特征线法确定。

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