CN103134657A - 挠性壁喷管超声速第一菱形区后部空间流场优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种挠性壁喷管超声速第一菱形区后部空间速度场优化的方法；目的是解决在挠性壁喷管型面优化试验中，不能直接测量出第一菱形区后段核心流马赫数分布，无法对与其对应的空间速度场分布进行优化的问题；具体方案如下：结合风洞空间速度场分布测量结果，利用超声速流场中弱扰动波沿马赫波方向传播的规律，将干扰波系对空间速度场的影响叠加到核心流上，构造出第一菱形区完整的核心流马赫数分布曲线，利用喷管型面优化中相邻撑杆单位影响曲线间的规律，构造出第一菱形区内各参与优化的撑杆完整的单位影响曲线，再利用实验影响法对喷管型面进行优化，进而实现风洞第一菱形区后段空间速度场分布的优化。

Description

挠性壁喷管超声速第一菱形区后部空间流场优化方法

技术领域

本发明涉及超声速风洞流场调试与校测领域，尤其是涉及一种挠性壁喷管超声速第一菱形区后部空间流场优化方法。

背景技术

在超声速风洞中，喷管是超声速风洞的核心部件，是风洞具备优良速度场品质的关键。喷管的收缩部分将气流从低亚声速加速到声速，从喉道开始使气流等熵加速膨胀至喷管出口并达到所要求的马赫数。喷管型面将影响气流速度场分布的均匀性。超声速喷管可分为二维和三维两种型式，二维喷管有两个平行的平面壁，另两个壁面则是二维型面，喷管的速度场基本是二维的。二维喷管有固块喷管和挠性壁喷管两种型式。固块喷管由对称安装的两个相同型面的喷管块组成，每对喷管块对应一个特定的马赫数。近代超声速风洞通常采用可变马赫数的挠性壁喷管，在驱动系统的作用下，挠性壁在平行固壁间弯曲变形以形成所需要的马赫数型面。挠性壁喷管具有宽的马赫数调节范围，并可得到较好的速度场品质。

具有二维挠性壁喷管的超声速风洞，通常采用实验影响法对试验段模型区速度场进行优化，即在喷管静态调试确定的初始型面基础上，通过试验获得第一菱形区(所谓第一菱形区是指以喷管出口为菱形的两个顶点，分别以其中一个顶点为起点，画出两条射线(两条射线与风洞轴线夹角分别为arcsin(1/M)和π-arcsin(1/M)，M是指马赫数，角度单位为弧度)，两条射线与风洞轴线相交，所形成的菱形区域，见图1)核心流马赫数分布曲线和对第一菱形区马赫数分布产生直接影响的各撑杆的单位影响曲线，计算出各撑杆的调节量，实现对喷管型面的优化。该方法需要完整测量出第一菱形区范围内核心流马赫数的分布以及参与喷管型面优化撑杆的影响曲线，但是高马赫数第一菱形区较长，由于受到中部支架安装位置的干涉，第一菱形区后段核心流马赫数分布无法直接测量，进而无法对后部空间区域速度场速度分布进行优化。国内外也未见相关文献提及类似的优化方法。

发明内容

本发明的目的在于：针对现有技术存在的问题，提供一种挠性壁喷管超声速第一菱形区后部空间流场优化方法，解决了在挠性壁喷管型面优化试验中，中部支架与高马赫数第一菱形区后段空间位置存在干涉，不能直接测量出第一菱形区后段核心流马赫数分布，无法对与其对应的空间速度场分布进行优化的问题。

本发明的发明目的通过以下技术方案来实现：

一种挠性壁喷管超声速第一菱形区后部空间流场优化方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)测得风洞空间速度场垂直于挠性壁沿风洞轴线方向各测量截面的马赫数分布数据，然后根据马赫波传递规律，将垂直于挠性壁空间流场马赫数分布的影响量传递到核心流，并将上下壁面的影响量进行叠加，构造出第一菱形区超出测量区域的核心流马赫数分布数据，并与实际测量的核心马赫数分布数据结合，构造出完整的第一菱形区核心流马赫数分布曲线，最后根据完整的第一菱形区核心流马赫数分布曲线，计算得到理想修正量；

(2)测得测量区域内的多个相邻撑杆的单位影响曲线，根据同一马赫数相邻撑杆的单位影响曲线的相关性，获得各撑杆超出测量区域的单位影响曲线，并与已测出的测量区域内的撑杆的单位影响曲线叠加，构建完整的撑杆单位影响曲线；

(3)根据步骤(1)中得到的理想修正量和步骤(2)中得到的完整的撑杆单位影响曲线，并利用实验影响法，计算出各撑杆的修正量；

(4)根据各撑杆的修正量对喷管型面进行修正，完成对喷管型面的优化，进而实现对第一菱形区后部空间速度场的优化。

优选的，步骤(1)中，由于超声速流场中弱扰动波传播的方向是沿马赫波方向传播的，因此将空间流场中干扰波系对空间马赫数的影响量沿马赫波方向传递到核心流，并将两个方向的影响量进行线性叠加，然后与第一菱形区内实际测量的核心流马赫数数据结合，构造出完整的第一菱形区核心流马赫数分布曲线。

优选的，步骤(2)利用挠性壁喷管型面优化中同一马赫数相邻撑杆单位影响曲线存在相位平移的关系，通过将之前撑杆单位影响曲线逐个向后平移，构造出所需撑杆第一菱形区内完整的单位影响曲线。

优选的，步骤(3)中所述的利用实验影响法，计算出各撑杆的修正量的方法为：根据实验影响法计算公式 $\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\left[{\∫}_a^b{I}_{\mathrm{ji}}{I}_{\mathrm{ki}}\mathrm{dx}\right]\mathrm{\Δj}={\∫}_a^b{C}_i{I}_{\mathrm{ki}}\mathrm{dx}(k=\mathrm{1,2}...n;j=\mathrm{1,2}...n;),$ 计算出各撑杆的修正量Δ_j，其中C_i表示理想修正量，I_j表示完整的撑杆单位影响曲线。

优选的，该方法还包括步骤：利用速度场测量装置对风洞速度场进行复校，验证优化结果；如果优化结果不理想，则循环重复步骤(1)~(4)，直至优化结果满意为止。

与现有技术相比，本发明通过利用速度场校测排架移测获得的垂直于喷管对称面的模型区空间速度场分布，根据波的传播特性，可以获得第一菱形区内完整的核心流马赫数分布结果；根据同一马赫数相邻撑杆单位影响曲线相关性，可以获得第一菱形区内参与喷管型面优化各撑杆完整的单位影响曲线分布结果，并采用实验影响法计算出对应撑杆的修正量，实现后段空间速度场的优化。通过该方法能有效改善第一菱形区后段空间速度场分布均匀性，可以提升超声速风洞高马赫数模型区速度场品质；有效解决了由于支撑装置与测量区域干涉，造成核心流速度分布无法测量的问题。

附图说明

图1是二维挠性壁喷管某马赫数型面下第一菱形区示意图；

图2是用于二维挠性壁喷管动态调试试验采用的单点探头测量装置及测量位置分布示意图；

图3是挠性壁喷管出口区域撑杆马赫波传递区域在第一菱形区内分布示意图；

图4是用于超声速风洞速度场校测的测量装置；

图5是采用图4所示装置测量试验段垂直于挠性壁沿风洞轴线方向空间马赫数分布示意图；

图6是本发明利用超声速风洞波系在速度场中传递规律进行核心流马赫数分布影响结果的构造示意图；

图7是本发明构造出的可测量区域外的核心流马赫数分布示意图；

图8是测出相邻撑杆单位影响曲线图；

图9是利用相邻撑杆单位影响曲线之间的关系，通过相位处理后构造出的干涉区域内单位影响曲线分布示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

本发明一种挠性壁喷管超声速第一菱形区后部空间流场优化方法，适用于对具有二维挠性壁喷管的超声速风洞模型区空间流场的优化。由于高马赫数第一菱形区较长，且受到中部支架(用于安装单点探头测量装置或者超声速风洞速度场校测的测量装置)安装位置的干涉，第一菱形区后段核心流马赫数分布无法直接测量，进而无法对后部空间区域速度场速度分布进行优化。

本发明方法包括以下步骤：

1)如图1所示，采用x＝y/tan(arcsin(1/M))公式，计算出不同马赫数第一菱形区长度；公式中y是喷管出口半高，x第一菱形区水平对称线长度，即第一菱形区长度；

2)如图2所示，根据安装在风洞中的单点探头测量装置的几何位置关系，确定单点探头的测量范围；

3)以挠性壁喷管出口区域各撑杆为起点，根据马赫波传递公式α＝arcsin(1/M)，计算出各撑杆位置产生马赫波在风洞空间流场中传播的区域，并绘制挠性壁喷管出口区域撑杆马赫波传递区域在第一菱形区内分布示意图，如图3所示结果；

4)根据步骤3)绘制出的分布示意图，确定超出第一菱形区核心流测量范围所对应撑杆；

5)利用安装在风洞中的单点探头测量装置测量出参与喷管型面优化的各撑杆的单位影响曲线。一般说来单位撑杆影响曲线是在挠性喷管型面动态调试试验中进行测量。

6)利用超声速风洞速度场校测的测量装置测量风洞空间速度场垂直于挠性壁沿风洞轴线方向各测量截面的马赫数分布数据；

7)将步骤6)中的测量数据录入计算程序，获取沿风洞轴线垂直于挠性壁的空间速度场马赫数分布结果，利用绘图软件绘制出如图5所示的空间速度场马赫数的分布曲线图；

8)利用步骤7)测量数据，结合步骤4)中所确定的撑杆，根据超声速流场马赫波传递规律，将垂直于挠性壁空间速度场马赫数分布的影响量传递到核心流(如图6所示)，并将上下壁面的影响量进行叠加，构造出第一菱形区超出测量区域的核心流马赫数分布，并与步骤7)中实际测量的核心马赫数分布数据结合，构造出图7所示完整的第一菱形区核心流马赫数分布数据；

9)将步骤8)中结果录入计算程序，根据公式

计算出核心流马赫数的平均值

和理想修正量C_i；

10)如图8和图9所示，根据同一马赫数相邻撑杆单位影响曲线的相关性，利用前一撑杆单位影响曲线向后平移相邻撑杆间距，可以获得相邻撑杆单位影响曲线，可构造出相邻撑杆第一菱形区完整的单位影响曲线I_j；

11)根据实验影响法计算公式 $\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\left[{\∫}_a^b{I}_{\mathrm{ji}}{I}_{\mathrm{ki}}\mathrm{dx}\right]\mathrm{\Δj}={\∫}_a^b{C}_i{I}_{\mathrm{ki}}\mathrm{dx}(k=\mathrm{1,2}...n;j=\mathrm{1,2}...$ $n;),$ 将C_i，I_j数据带入公式，计算出各撑杆的修正量Δ_j；

12)将步骤11)中计算结果用于喷管对应撑杆坐标的修正，并调整喷管型面，再利用超声速风洞速度场校测的测量装置对风洞速度场进行复校，验证修正结果；需要时，可循环采用以上步骤，完成喷管型面的优化，提升风洞速度场品质。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，应当指出的是，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种挠性壁喷管超声速第一菱形区后部空间流场优化方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)测得风洞空间速度场垂直于挠性壁沿风洞轴线方向各测量截面的马赫数分布数据，然后根据马赫波传递规律，将垂直于挠性壁空间流场马赫数分布的影响量传递到核心流，并将上下壁面的影响量进行叠加，构造出第一菱形区超出测量区域的核心流马赫数分布数据，并与实际测量的核心马赫数分布数据结合，构造出完整的第一菱形区核心流马赫数分布曲线，最后根据完整的第一菱形区核心流马赫数分布曲线，计算得到理想修正量；

(2)测得测量区域内的多个相邻撑杆的单位影响曲线，根据同一马赫数相邻撑杆的单位影响曲线的相关性，获得各撑杆超出测量区域的单位影响曲线，并与已测出的测量区域内的撑杆的单位影响曲线叠加，构建完整的撑杆单位影响曲线；

(3)根据步骤(1)中得到的理想修正量和步骤(2)中得到的完整的撑杆单位影响曲线，并利用实验影响法，计算出各撑杆的修正量；

(4)根据各撑杆的修正量对喷管型面进行修正，完成对喷管型面的优化，进而实现对第一菱形区后部空间速度场的优化。

2.根据权利要求1所述的一种挠性壁喷管超声速第一菱形区后部空间流场优化方法，其特征在于，步骤(1)中，由于超声速流场中弱扰动波传播的方向是沿马赫波方向传播的，因此将空间流场中干扰波系对空间马赫数的影响量沿马赫波方向传递到核心流，并将两个方向的影响量进行线性叠加，然后与第一菱形区内实际测量的核心流马赫数数据结合，构造出完整的第一菱形区核心流马赫数分布曲线。

3.根据权利要求1所述的一种挠性壁喷管超声速第一菱形区后部空间流场优化方法，其特征在于，步骤(2)利用挠性壁喷管型面优化中同一马赫数相邻撑杆单位影响曲线存在相位平移的关系，通过将之前撑杆单位影响曲线逐个向后平移，构造出所需撑杆第一菱形区内完整的单位影响曲线。

4.根据权利要求1所述的一种挠性壁喷管超声速第一菱形区后部空间流场优化方法，其特征在于，步骤(3)中所述的利用实验影响法，计算出各撑杆的修正量的方法为：根据实验影响法计算公式 $\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\left[{\∫}_a^b{I}_{\mathrm{ji}}{I}_{\mathrm{ki}}\mathrm{dx}\right]\mathrm{\Δj}={\∫}_a^b{C}_i{I}_{\mathrm{ki}}\mathrm{dx}(k=\mathrm{1,2}...n;j=\mathrm{1,2}...n;),$ 计算出各撑杆的修正量Δ_j，其中C_i表示理想修正量，I_j表示完整的撑杆单位影响曲线。

5.根据权利要求1所述的一种挠性壁喷管超声速第一菱形区后部空间流场优化方法，其特征在于，该方法还包括步骤：利用速度场测量装置对风洞速度场进行复校，验证优化结果；如果优化结果不理想，则循环重复步骤(1)~(4)，直至优化结果满意为止。

Images