CN103032424B - 超声速分流流道及其壁面确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种超声速分流流道及其壁面确定方法。该超声速分流流道的壁面确定方法包括：根据超声速分流流道设计结构的几何约束确定其入口边界和多个出口边界的位置及流动方向，利用特征线法，确定第一壁面曲线、第二壁面曲线以及第三壁面曲线；在结合二阶连续曲线确定分流道的壁面曲线；第一壁面曲线和第二壁面曲线确定总流道的下壁面曲线，总流道的下壁面曲线确定总流道的下壁面；第三壁面曲线确定总流道的上壁面；分流道的壁面曲线确定分流道的壁面。根据本方法确定的超声速分流流道，内部流场参数可以控制，分流流道内不会产生激波，实现超声速流动的高效、低阻分流，分流之后的流道可以根据设计要求随意转弯。

Description

超声速分流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，涉及一种超声速分流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，超声速流动的分流技术在实验研究领域发挥了日益重要的作用。超声速分流流道是一种典型的将超声速流场分割成两股或多股超声速气流的部件。被分流的超声速气流很容易产生激波，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。

现有的分流流道主要是用于一般流体流动的三通或多通，由于未考虑超声速气体流动的特点，不可避免地会出现激波，导致总压损失、气流畸变。

发明内容

本发明旨在提供一种超声速分流流道及其壁面确定方法，能够将一股超声速气流分隔成两股或多股气流，并且不产生激波。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种超声速分流流道的壁面确定方法，包括：根据超声速分流流道设计结构的几何约束确定超声速分流流道的入口边界和多个出口边界的位置和流动方向；根据超声速分流流道的设计结构的几何约束，利用特征线法，确定第一壁面曲线；根据超声速分流流道的设计结构的几何约束，利用特征线法，确定与第一壁面曲线相连接的第二壁面曲线和与该第二壁面曲线相对的第三壁面曲线；根据超声速分流流道的设计结构的几何约束，利用二阶连续曲线和特征线法确定超声速分流流道的分流道的壁面曲线；根据第一壁面曲线和第二壁面曲线确定超声速分流流道的总流道的下壁面曲线，根据超声速分流流道的总流道的下壁面曲线确定超声速分流流道的总流道的下壁面；根据第三壁面曲线确定超声速分流流道的总流道的上壁面；根据超声速分流流道的分流道的壁面曲线，确定超声速分流流道的分流道的壁面。

进一步地，出口边界为两个，根据超声速分流流道的设计结构的几何约束，利用特征线法，确定第一壁面曲线的步骤包括：根据超声速分流流道的设计结构的几何约束，将入口边界分为两段，两段入口边界的长度的比值等于与该段入口边界对应的出口边界的流量的比值。

进一步地，将入口边界分为多段之后，根据超声速分流流道的设计结构的几何约束，利用特征线法，确定第一壁面曲线的步骤还包括：根据两段入口边界的流场参数分布，利用特征线法，确定入口影响域，其中，两个影响域的公共特征线垂直于入口边界且过对应的分段点。

进一步地，确定入口影响域之后，根据超声速分流流道的设计结构的几何约束，利用特征线法，确定第一壁面曲线的步骤还包括：分别确定两个影响域的远离入口边界的顶点，再根据两个顶点之间的流场参数分布，利用特征线法，确定第一壁面曲线。

进一步地，确定第一壁面曲线之后，根据超声速分流流道的设计结构的设计要求，利用特征线法，确定与第一壁面曲线相连接的第二壁面曲线和与该第二壁面曲线相对的第三壁面曲线的步骤包括：根据超声速进气道的几何约束，设置过渡段中心流线及其马赫数分布，利用特征线法，确定第二壁面曲线和第三壁面曲线。

进一步地，确定第二壁面曲线和第三壁面曲线之后，根据超声速分流流道的设计结构的几何约束，利用二阶连续曲线和特征线法确定超声速分流流道的分流道的壁面曲线的步骤包括：根据超声速进气道设计的几何约束，利用二阶连续曲线，确定超声速分流流道的分流道的第一分流道内壁面曲线和第二分流道内壁面曲线，其中，第一分流道内壁面曲线和第二分流道内壁面曲线均与过渡中线流线相交于远离入口边界的一个端点处。

进一步地，确定第一分流道内壁面曲线和第二分流道内壁面曲线之后，根据超声速分流流道的设计结构的几何约束，利用二阶连续曲线和特征线法确定超声速分流流道的分流道的壁面曲线的步骤还包括：根据超声速分流流道的分流道的第一分流道内壁面曲线和第二分流道内壁面曲线及其马赫数分布，利用特征线法，确定超声速分流流道的分流道的与第一分流道内壁面曲线相对应的第一分流道外壁面曲线和与第二分流道内壁面曲线相对应的第二分流道外壁面曲线。

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，提供了一种超声分流流道，超声速分流流道包括位于上游的总流道和位于下游的两个分流道，总流道的出口与两个分流道的入口相连通，总流道由上壁面曲线和下壁面曲线确定；分流道包括第一分流道和第二分流道，第一分流道和第二分流道由第一和第二分流道的内外壁面曲线确定；其中，上壁面曲线和下壁面曲线由超声速分流流道的设计结构的几何约束利用特征线法确定；第一和第二分流道的内外壁面曲线均由超声速分流流道的设计结构的几何约束利用二阶连续曲线和特征线法确定。

应用本发明的技术方案，超声速分流道设计方法包括：根据超声速分流流道设计结构的几何约束确定超声速分流流道的入口边界和多个出口边界的位置和流动方向；根据超声速分流流道的设计结构的几何约束，利用特征线法，确定第一壁面曲线；根据超声速分流流道的设计结构的几何约束，利用特征线法，确定与第一壁面曲线相连接的第二壁面曲线和与该第二壁面曲线相对的第三壁面曲线；根据超声速分流流道的设计结构的几何约束，利用二阶连续曲线和特征线法确定超声速分流流道的分流道的壁面曲线；根据第一壁面曲线和第二壁面曲线确定超声速分流流道的总流道的下壁面曲线，根据超声速分流流道的总流道的下壁面曲线确定超声速分流流道的总流道的下壁面；根据第三壁面曲线确定超声速分流流道的总流道的上壁面；根据超声速分流流道的分流流道的壁面曲线，确定超声速分流流道的分流道的壁面。根据本方法确定的超声速分流流道，其内部流场参数可以控制，分流流道内不会产生激波，可以实现超声速流动的高效、低阻分流，与此同时，分流之后的流道可以根据设计要求随意转弯。

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。

图1示出了根据本发明的超声速分流流道及其壁面确定方法的出口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分流流道及其壁面确定方法形成的出口边界的分段示意图；

图3示出了根据本发明的超声速分流流道及其壁面确定方法形成的出口边界分段后的对应段的影响域的示意图；

图4示出了根据本发明的超声速分流流道及其壁面确定方法形成的第一壁面曲线的示意图；

图5示出了根据本发明的超声速分流流道及其壁面确定方法形成的第二壁面曲线和第三壁面曲线的示意图；

图6示出了根据本发明的超声速分流流道及其壁面确定方法形成的分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分流流道及其壁面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分流流道及其壁面确定方法设计的超声速分流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。本发明的各附图中，虚线表示流体流动方向。

根据本发明的实施例，超声速分流流道的壁面通过以下确定方法获得。

如图1所示，首先根据超声速分流流道设计结构的几何约束确定超声速分流流道的入口边界A和多个出口边界的位置及相应位置处的空气流动方向，其中，入口边界A以及多个出口边界处的空气流动方向均垂直于与该空气流动位置相应的入口边界A和多个出口边界。

参见图1至图4所示，以超声速分流流道的分流道为两股为例，其出口边界为B和C，确定入口边界A和出口边界B和C之后，将入口边界分A为两段，即0-1和0-1’，其中0为分段点。两段入口边界0-1和0-1’的长度的比值等于与该段入口边界对应的出口边界B和C的流量的比值。然后根据两段入口边界0-1和0-1’的流场参数分布，利用特征线法，确定0-1段的影响域1-0-0”和0-1’段的影响域1’-0-0’。其中，影响域1-0-0”及1’-0-0’的公共特征线0-0’垂直于入口边界A且过对应的分段点0。确定影响域1-0-0”和1’-0-0’之后，分别确定两个影响域的远离所述入口边界的顶点，再根据所确定根据两个顶点之间的流场参数分布，即点0’和0’’之间的流场参数分布，利用特征线法，确定第一壁面曲线1’-1’’，其中，第一壁面曲线1’-1’’的接近入口边界的端点1’与入口边界A的第一端点1’重合。

如图5所示，确定第一壁面曲线1’-1’’之后，根据超声速进气道设计结构的设计要求，设置过渡段中心流线0’’-3及其马赫数分布，利用特征线法，确定第二壁面曲线1’’-2’和第三壁面曲线1-2，其中，第三壁面曲线1-2为第一壁面曲线1’-1’’和第二壁面曲线1’’-2’组成的壁面曲线的对边壁面曲线，第二壁面曲线1’’-2’接近入口边界A的端点与第一壁面1’-1’’的远离入口边界A的端点1’’相重合，第三壁面曲线1-2的接近入口边界A的端点与入口边界A的第二端点1相重合。

如图6所示，确定第二壁面曲线1’’-2’和第三壁面曲线1-2之后，根据已确定的中心流线0’’-3的远离入口边界的端点3和两个出口边界B和C的相邻的两端点5和5’的位置，，利用二阶连续曲线，确定超声速分流流道的分流道的第一分流道内壁面曲线3-5和第二分流道内壁面曲线3-5’，其中，第一分流道内壁面曲线3-5’和第二分流道内壁面曲线3-5’均与过渡中线流线0’’-3相交于远离入口边界的一个端点3处。

确定第一分流道内壁面曲线3-5和第二分流道内壁面曲线3-5’之后，根据超声速分流流道的分流道的第一分流道内壁面曲线3-5和第二分流道内壁面曲线3-5’及其马赫数分布，利用特征线法，确定超声速分流流道的分流道的与第一分流道内壁面曲线3-5相对应的第一分流道外壁面曲线2-4和与第二分流道内壁面曲线3-5’相对应的第二分流道外壁面曲线2’-4’。

如图8所示，根据上述第一壁面曲线1’-1’’和第二壁面曲线1’’-2’确定超声速分流流道的总流道10的下壁面曲线1’-1’’-2’，根据所述超声速分流流道的总流道10的下壁面曲线1’-1’’-2’确定超声速分流流道的总流道20的下壁面。根据上述第三壁面曲线1-2确定超声速分流流道的总流道20的上壁面。

根据上述超声速分流流道的分流道的内壁面曲线3-5和3-5’，确定分流道的内壁面；根据上述超声速分流流道的分流道的外壁面曲线2-4和2’-4’，确定分流道的外壁面。

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。

多于两个出口边界的超声速分流流道的设计方法与上述的两个出口边界的超声速分流流道的设计方法类似，这里不再详述。

其中利用特征线法对壁面曲线求解的过程如下：

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所示的过程进行求解。

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：

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

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

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

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

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。

根据本发明的实施例，提供了一种超声分流流道，超声速分流流道包括位于上游的总流道10和位于下游的两个分流道20，总流道10的出口与两个分流道20的入口相连通，总流道10由上壁面曲线和下壁面曲线确定；分流道20包括第一分流道和第二分流道，第一分流道和第二分流道由第一分流道和第二分流道的内外壁面曲线确定；其中，上壁面曲线和下壁面曲线由超声速分流流道的设计结构的几何约束利用特征线法确定；第一和第二分流道的内外壁面曲线均由超声速分流流道的设计结构的几何约束利用二阶连续曲线和特征线法确定。

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：根据本方法设计的超声速分流流道，其内部流场参数可以控制，分流流道内不会产生激波，可以实现超声速流动的高效、低阻分流，与此同时，分流之后的流道可以根据设计要求随意转弯。

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 (3)

1.一种超声速分流流道的壁面确定方法，其特征在于，包括：

根据超声速分流流道设计结构的几何约束确定所述超声速分流流道的入口边界和多个出口边界的位置和流动方向；

根据所述超声速分流流道的设计结构的几何约束，利用特征线法，确定第一壁面曲线；

根据所述超声速分流流道的设计结构的几何约束，利用特征线法，确定与所述第一壁面曲线相连接的第二壁面曲线和与该第二壁面曲线相对的第三壁面曲线；

根据所述超声速分流流道的设计结构的几何约束，利用二阶连续曲线和特征线法确定所述超声速分流流道的分流道的壁面曲线；

根据所述第一壁面曲线和所述第二壁面曲线确定所述超声速分流流道的总流道的下壁面曲线，根据所述超声速分流流道的总流道的下壁面曲线确定所述超声速分流流道的总流道的下壁面；

根据所述第三壁面曲线确定所述超声速分流流道的总流道的上壁面；

根据所述超声速分流流道的分流道的壁面曲线，确定所述超声速分流流道的分流道的壁面；

所述出口边界为两个，所述根据所述超声速分流流道的设计结构的几何约束，利用所述特征线法，确定所述第一壁面曲线的步骤包括：

根据所述超声速分流流道的设计结构的几何约束，将所述入口边界分为两段，两段所述入口边界的长度的比值等于与该段入口边界对应的所述出口边界的流量的比值；

将所述入口边界分为两段之后，所述根据所述超声速分流流道的设计结构的几何约束，利用所述特征线法，确定所述第一壁面曲线的步骤还包括：

根据两段所述入口边界的流场参数分布，利用所述特征线法，确定入口影响域，其中，两个所述影响域的公共特征线垂直于所述入口边界且过对应的分段点；

确定所述入口影响域之后，所述根据所述超声速分流流道的设计结构的几何约束，利用所述特征线法，确定所述第一壁面曲线的步骤还包括：

分别确定两个所述影响域的远离所述入口边界的顶点，再根据两个顶点之间的流场参数分布，利用特征线法，确定所述第一壁面曲线，其中所述第一壁面曲线的接近入口边界的端点与所述入口边界的第一端点相重合；

确定所述第一壁面曲线之后，所述根据所述超声速分流流道的设计结构的几何约束，利用特征线法，确定与所述第一壁面曲线相连接的第二壁面曲线和与该第二壁面曲线相对的第三壁面曲线的步骤包括：

根据超声速进气道的设计要求，设置过渡段中心流线及其马赫数分布，利用特征线法，确定所述第二壁面曲线和第三壁面曲线，其中，所述第二壁面曲线接近入口边界的端点与所述第一壁面的远离所述入口边界的端点相重合，所述第三壁面曲线的接近所述入口边界的端点与所述入口边界的第二端点相重合；

确定所述第二壁面曲线和第三壁面曲线之后，所述根据所述超声速分流流道的设计结构的几何约束，利用所述二阶连续曲线和特征线法确定所述超声速分流流道的分流道的壁面曲线的步骤包括：

根据所述超声速进气道设计的几何约束，利用所述二阶连续曲线，确定所述超声速分流流道的分流道的第一分流道内壁面曲线和第二分流道内壁面曲线，其中，所述第一分流道内壁面曲线和所述第二分流道内壁面曲线均与所述过渡中线流线相交于远离所述入口边界的一个端点处；

确定所述第一分流道内壁面曲线和所述第二分流道内壁面曲线之后，所述根据所述超声速分流流道的设计结构的几何约束，利用所述二阶连续曲线和特征线法确定所述超声速分流流道的分流道的壁面曲线的步骤还包括：

根据所述第一分流道内壁面曲线和所述第二分流道内壁面曲线及其马赫数分布，利用所述特征线法，确定所述超声速分流流道的分流道的与所述第一分流道内壁面曲线相对应的第一分流道外壁面曲线和与所述第二分流道内壁面曲线相对应的第二分流道外壁面曲线。

2.根据权利要求1所述的超声速分流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。

3.一种根据权利要求1所述的超声速分流流道的壁面确定方法确定的超声速分流流道，其特征在于，所述超声速分流流道包括位于上游的总流道和位于下游的两个分流道，所述总流道的出口与两个所述分流道的入口相连通，所述总流道由上壁面曲线和下壁面曲线确定；所述分流道包括第一分流道和第二分流道，所述第一分流道和所述第二分流道由所述第一和第二分流道的内外壁面曲线确定；其中，所述上壁面曲线和下壁面曲线由超声速分流流道的设计结构的几何约束利用特征线法确定；所述第一和第二分流道的内外壁面曲线均由所述超声速分流流道的设计结构的几何约束利用二阶连续曲线和特征线法确定。