CN103926050A - 高超声速静音喷管及其确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高超声速静音喷管及其确定方法。高超声速静音喷管的确定方法包括如下步骤：确定喷管的内壁面的型面曲线；确定抽吸孔组内的第一抽吸孔在喷管的内壁面的设置位置；确定第一抽吸孔的轴线与喷管的轴线的夹角α；确定第一抽吸孔的截面形状，并确定第一抽吸孔的截面积。通过该高超声速静音喷管的确定方法能够设计出高超声速静音喷管。

Description

高超声速静音喷管及其确定方法

技术领域

本发明涉及空气动力研究设备领域，具体而言，涉及一种高超声速静音喷管及其确定方法。

背景技术

风洞实验是指在一个按一定要求设计的管道内，使用动力装置驱动一股可控制的气流，将实验模型固定在管道的试验区内，根据运动的相对性和相似性原理进行各种空气动力实验，以模拟空中各种飞行状态，获取模型实验数据。高超声速风洞是风洞的一种，广泛的应用于导弹、飞机、火箭等的模型实验，是航空航天领域内一项基本的实验设备。

现有的高超声速风洞流场存在较高的气动噪声和湍流度，比高空大气的实际流场高1～2个数量级，因此采用现有的高超声速(马赫数在5.0到10的范围内)风洞进行试验，由于其边界层转捩位置、转捩区域和转捩雷诺数与实际高空大气偏差较大，造成部分试验结果的准确性严重偏离真实情况，从而为模型的准确设计带来困难。

为此需研究一种气动噪声和湍流度与高空大气接近的高超声速风洞(高空大气的湍流度一般只有0.03％)，也即高超声速静音风洞。

喷管是高超声速风洞的关键部件，它安装在风洞稳定段的下游和试验段的上游。传统喷管一般包括收缩区、喉道和扩张区三部分，为了在试验段产生高超声速气流，喷管的收缩区将气流从低亚声速均匀加速到声速，然后气流从喷管的喉部开始等熵均匀加速膨胀，至喷管扩张区出口达到所要求的马赫数，因此喷管是保证实验段获得设计马赫数的重要风洞部件。

对于传统的高超声速风洞，收缩区、喉道区和扩张区是传统喷管的三个部分，收缩区为一连续收缩的型面，喉道区为曲线直径最小的部分，扩张部为一连续扩大的型面，喉道将收缩区和扩张区无缝连接起来，形成整体喷管曲线。试验模型在喷管出口进行实验。

高超声速静音风洞要求喷管达到层流喷管的水平，所谓层流喷管，就是说喷管内表面的流动必须是层流边界层，但是一般的喷管的边界层均是湍流边界层，这使得现有喷管构成的高超声速风洞部分试验结果准确度低。层流喷管也称静音喷管。

发明内容

本发明旨在提供一种高超声速静音喷管及其确定方法，以解决现有技术中的高超声速喷管存在较大气动噪声和湍流度致使喷管的边界层转捩位置和转捩雷诺数偏差较大影响试验结果的问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种高超声速静音喷管的确定方法，该高超声速静音喷管的确定方法包括如下步骤：确定喷管的内壁面的型面曲线；确定抽吸孔组内的第一抽吸孔在喷管的内壁面的设置位置；确定第一抽吸孔的轴线与喷管的轴线的夹角α；确定第一抽吸孔的截面形状，并确定第一抽吸孔的截面积。

进一步地，在确定抽吸孔组的第一抽吸孔在喷管的内壁面的设置位置的步骤中，第一抽吸孔在喷管的内壁面上的设置位置为第一抽吸孔的轴线与喷管的内壁面的型面曲线的交点P，交点P处的马赫数在0.2至0.3这一范围内。

进一步地，交点P处的马赫数为0.25。

进一步地，在确定第一抽吸孔的轴线与喷管的轴线的夹角α的步骤中，夹角α的取值范围在30度至60度之间。

进一步地，夹角α为45度。

进一步地，在确定第一抽吸孔的截面形状，并确定第一抽吸孔的截面积的步骤中，第一抽吸孔在第一平面上的截面形状为椭圆形，第一平面为垂直于第一抽吸孔的轴线的平面，确定第一抽吸孔的长直径u和第一抽吸孔的短直径w。

进一步地，第一抽吸孔的短直径w为喷管内的在交点P处的边界层厚度的0.1倍至0.2倍，第一抽吸孔的长直径u为第一抽吸孔的短直径w的2倍至3倍。

进一步地，喷管具有多个抽吸孔组，多个抽吸孔组沿喷管的轴向间隔设置，相邻两个抽吸孔组之间间隔距离m，各抽吸孔组包括多个沿喷管的周向间隔设置的第一抽吸孔，各抽吸孔组包含的第一抽吸孔的数量k根据公式1确定，

$k=\frac{L}{w+h}$     公式1

其中，L为抽吸孔组所在处的喷管的内圆周长度，h为抽吸孔组的相邻两个第一抽吸孔之间的距离，h的取值范围为0.5倍的距离w至1.5倍的距离w。

根据本发明的另一方面，提供了一种高超声速静音喷管，该高超声速静音喷管包括：收缩段，收缩段由第一端至第二端的横截面面积逐渐减小；喉道，喉道的第一端与收缩段的第二端连接；扩张段，扩张段的第一端与喉道的第二端连接，且扩张段由第一端至第二端的横截面面积逐渐增大；抽吸孔组，抽吸孔组位于收缩段和喉道之间，抽吸孔组包括多个第一抽吸孔，第一抽吸孔贯穿喷管的管壁，高超声速静音喷管由上述的高超声速静音喷管的确定方法确定。

进一步地，高超声速静音喷管包括多个抽吸孔组，多个抽吸孔组沿高超声速静音喷管的轴向间隔设置，相邻两个抽吸孔组之间间距距离m。

应用本发明的技术方案，高超声速静音喷管的确定方法包括如下步骤：确定喷管的内壁面的型面曲线；确定抽吸孔组的第一抽吸孔在喷管的内壁面的设置位置；确定第一抽吸孔的轴线与喷管的轴线的夹角α，确定第一抽吸孔的截面形状，并确定第一抽吸孔的截面积。通过该高超声速静音喷管的确定方法确定的高超声速静音喷管具有第一抽吸孔，通过该第一抽吸孔能够将喷管的喉道前的湍流边界层抽吸出去，进而消除了喷管内上游湍流对喷管内下游的影响，保证了喷管的喉道的内壁面的边界层为层流，故而保证了高超声速静音喷管的静音，同时减小了高超声速静音喷管的湍流度，也保证了高超声速静音喷管的边界层转捩位置和转捩雷诺数的拟真度，而且也保证了高超声速静音喷管的内壁面曲线的连续。

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示出了本发明的实施例的高超声速静音喷管的剖视图；

图2示出了图1中的A处的放大图；以及

图3示出了本发明的实施例的相邻两个第一抽吸孔的结构示意图。

附图标记说明：10、第一抽吸孔；20、收缩段；30、喉道；40、扩张段。

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。

如图1至3所示，根据本发明的实施例，高超声速静音喷管的确定方法包括如下步骤：确定喷管的内壁面的型面曲线；确定抽吸孔组的第一抽吸孔10在喷管的内壁面的设置位置；确定第一抽吸孔10的轴线与喷管的轴线的夹角α，确定第一抽吸孔10的截面形状，并确定第一抽吸孔10的截面积。通过该高超声速静音喷管的确定方法确定的高超声速静音喷管具有第一抽吸孔10，通过该第一抽吸孔10能够将喷管的喉道前的湍流边界层抽吸出去，进而消除了喷管内上游湍流对喷管内下游的影响，保证了喷管的喉道的内壁面的边界层为层流，故而保证了高超声速静音喷管的静音，同时减小了高超声速静音喷管的湍流度，也保证了高超声速静音喷管的边界层转捩位置和转捩雷诺数的拟真度，而且也保证了高超声速静音喷管的内壁面曲线的连续。

在本实施例中，第一抽吸孔10在第一平面上的截面形状为椭圆形，第一平面为垂直于第一抽吸孔10的轴线的平面，确定第一抽吸孔10的长直径u和第一抽吸孔10的短直径w。椭圆形抽吸孔相较于方形或矩形抽吸孔方便加工，相较于圆形抽吸孔可以提高有效抽吸面积，且椭圆形抽吸孔的长直径方向与气流方向平行能够更好地更顺畅地抽吸。

优选地，在本实施例中，在确定喷管的内壁面的型面曲线的步骤中，根据五次曲线方法或三次曲线方法确定喷管的内壁面的型面曲线。采用五次曲线方法或三次曲线方法确定喷管的内壁面的型面曲线可以获得更好的流场特性。

优选地，在确定第一抽吸孔10在喷管的内壁面的设置位置的步骤中，第一抽吸孔10在喷管的内壁面上的设置位置为第一抽吸孔10的轴线与喷管的内壁面的型面曲线的交点P，交点P处的马赫数在0.2至0.3这一范围内。第一抽吸孔10设置在喷管内的马赫数在0.2至0.3这一范围内能够实现很好的抽吸效果，若第一抽吸孔10设置的位置过于靠近喷管的上游则导致湍流层抽吸后气流在第一抽吸孔10和喉道30之间再次产生湍流，导致效果不好；若第一抽吸孔10设置的位置过于靠近喉道30则由于此时的流速较高，会对下游的气流带来扰动。

优选地，交点P处的马赫数为0.25。第一抽吸孔10设置在马赫数为0.25处时可以保证最好的抽吸效果。

优选地，在确定第一抽吸孔10的轴线与喷管的中心轴线的夹角α的步骤中，夹角α的取值范围在30度至60度之间。角度的选取是比较实验结果和加工工艺后得出的，，当夹角α在这一范围内时具有较好的抽吸效果，同时第一抽吸孔10也比较容易实现。

优选地，夹角α为45度。此时的抽吸效果最好。

第一抽吸孔10的短直径w为喷管内的在交点P处的边界层厚度的0.1倍至0.2倍，交点P处的边界层厚度可以通过现有的计算方法获得。第一抽吸孔10的长直径u为第一抽吸孔10的短直径w的2倍至3倍。这样能够保证第一抽吸孔10的抽吸效率。

优选地，为了进一步提高第一抽吸孔10的抽吸效率，保证抽吸效果，喷管具有多个抽吸孔组，多个抽吸孔组沿喷管的轴向间隔设置，相邻两个抽吸孔组之间间隔距离m，各抽吸孔组包括多个沿喷管的周向间隔设置的第一抽吸孔10，各抽吸孔组包含的第一抽吸孔10的数量k根据公式1确定，

$k=\frac{L}{w+h}$     公式1

其中，L为抽吸孔组所在处的喷管的内圆周长度，h为抽吸孔组的相邻两个第一抽吸孔10之间的距离(此处的距离指相邻两个抽吸孔之间的最接近的两点之间的喷管的内壁面的弧长)，h的取值范围为0.5倍的距离w至1.5倍的距离w。

根据本发明的另一方面，高超声速静音喷管包括收缩段20、喉道30、扩张段40和抽吸孔组，收缩段20由第一端至第二端的横截面面积逐渐减小，喉道30的第一端与收缩段20的第二端连接，扩张段40的第一端与喉道30的第二端连接，且扩张段40由第一端至第二端的横截面面积逐渐增大，抽吸孔组位于收缩段20和喉道30之间，抽吸孔组包括多个第一抽吸孔10，第一抽吸孔10贯穿喷管的管壁，高超声速静音喷管由高超声速静音喷管的确定方法确定。在本实施例中，第一抽吸孔10上连接有将第一抽吸孔10抽吸的湍流边界层引出的负压吸气装置，该负压吸气装置可以为吸气管或引气罩，也可以为吸气泵。

优选地，为了保证抽吸效果，使湍流边界层能够完全抽吸干净，高超声速静音喷管保证多个抽吸孔组，多个抽吸孔组沿高超声喷管的轴向间隔设置，且相邻两个抽吸孔组之间的间距为距离m。在本实施例中，多个抽吸孔组在喷管上的设置位置由交点P间隔距离m向喷管的上游延伸。多个抽吸孔组的数量根据抽吸量确定，所有抽吸孔组均设置在马赫数在0.2至0.3的范围内，根据确定的抽吸孔组的数量等间距设置所有抽吸孔组，以此确定距离m的大小。

根据本发明的另一方面，风洞包括稳定段、喷管和试验段。其中，稳定段用于对气流进行整流；喷管连接在稳定段的下游，并将来流加速至需要的马赫数，该喷管为上述的喷管；试验段连接在喷管的下游，试验段的进口端与喷管的出口端相匹配。

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：本发明的高超声速静音喷管抽吸出了湍流边界层，使得喷管壁面的层流边界层长度更长，进而使得高超声速静音喷管的流场品质更好，因而提高了喷管的性能，降低了喷管的湍流度和噪声，使得由该高超声速静音喷管构成的高超声速风洞的转捩区域、转捩位置和转捩雷诺数更加符合现实环境，偏差更小。通过在喷管上设置第一抽吸孔抽吸湍流边界层，加工方便加工成本低，且有利于保证喷管内壁面型面曲线的连续性，避免了其它方法例如打断抽吸带来的气流扰动。

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)

1.一种高超声速静音喷管的确定方法，其特征在于，包括如下步骤：

确定喷管的内壁面的型面曲线；

确定抽吸孔组内的第一抽吸孔(10)在所述喷管的内壁面的设置位置；

确定所述第一抽吸孔(10)的轴线与所述喷管的轴线的夹角α；

确定所述第一抽吸孔(10)的截面形状，并确定所述第一抽吸孔(10)的截面积。

2.根据权利要求1所述的高超声速静音喷管的确定方法，其特征在于，在确定抽吸孔组的第一抽吸孔(10)在所述喷管的内壁面的设置位置的步骤中，所述第一抽吸孔(10)在所述喷管的内壁面上的设置位置为所述第一抽吸孔(10)的轴线与所述喷管的内壁面的型面曲线的交点P，所述交点P处的马赫数在0.2至0.3这一范围内。

3.根据权利要求2所述的高超声速静音喷管的确定方法，其特征在于，所述交点P处的马赫数为0.25。

4.根据权利要求1所述的高超声速静音喷管的确定方法，其特征在于，在确定所述第一抽吸孔(10)的轴线与所述喷管的轴线的夹角α的步骤中，所述夹角α的取值范围在30度至60度之间。

5.根据权利要求4所述的高超声速静音喷管的确定方法，其特征在于，所述夹角α为45度。

6.根据权利要求2所述的高超声速静音喷管的确定方法，其特征在于，在确定所述第一抽吸孔(10)的截面形状，并确定所述第一抽吸孔(10)的截面积的步骤中，所述第一抽吸孔(10)在第一平面上的截面形状为椭圆形，所述第一平面为垂直于所述第一抽吸孔(10)的轴线的平面，确定所述第一抽吸孔(10)的长直径u和所述第一抽吸孔(10)的短直径w。

7.根据权利要求6所述的高超声速静音喷管的确定方法，其特征在于，所述第一抽吸孔(10)的短直径w为所述喷管内的在交点P处的边界层厚度的0.1倍至0.2倍，所述第一抽吸孔(10)的长直径u为所述第一抽吸孔(10)的短直径w的2倍至3倍。

8.根据权利要求6所述的高超声速静音喷管的确定方法，其特征在于，所述喷管具有多个抽吸孔组，所述多个抽吸孔组沿所述喷管的轴向间隔设置，相邻两个所述抽吸孔组之间间隔距离m，各所述抽吸孔组包括多个沿所述喷管的周向间隔设置的所述第一抽吸孔(10)，各所述抽吸孔组包含的所述第一抽吸孔(10)的数量k根据公式1确定，

$k=\frac{L}{w+h}$     公式1

其中，L为所述抽吸孔组所在处的所述喷管的内圆周长度，h为所述抽吸孔组的相邻两个所述第一抽吸孔(10)之间的距离，h的取值范围为0.5倍的距离w至1.5倍的距离w。

9.一种高超声速静音喷管，其特征在于，包括：

收缩段(20)，所述收缩段(20)由第一端至第二端的横截面面积逐渐减小；

喉道(30)，所述喉道(30)的第一端与所述收缩段(20)的第二端连接；

扩张段(40)，所述扩张段(40)的第一端与所述喉道(30)的第二端连接，且所述扩张段(40)由第一端至第二端的横截面面积逐渐增大；

抽吸孔组，所述抽吸孔组位于所述收缩段(20)和所述喉道(30)之间，所述抽吸孔组包括多个第一抽吸孔(10)，所述第一抽吸孔(10)贯穿所述喷管的管壁，高超声速静音喷管由权利要求1至8中任一项所述的高超声速静音喷管的确定方法确定。

10.根据权利要求9所述的高超声速静音喷管，其特征在于，所述高超声速静音喷管包括多个抽吸孔组，所述多个抽吸孔组沿所述高超声速静音喷管的轴向间隔设置，相邻两个所述抽吸孔组之间间距距离m。