CN104748939A - 一种高超声速风洞的喷管的构造方法 - Google Patents
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Abstract
公开一种高超声速风洞的喷管的构造方法,其实现喷管出口截面形状与实验件截面形状一致，大大降低建设成本和运行成本，避免二维形式喷管在高马赫数工况下的喉部冷却困难问题。包括：(1)根据设计要求确定其关键位置横向截面的形状和尺寸、设计喷管出口马赫数M；(2)根据轴对称特征线方法获取构造喷管的型面曲线，构造喷管为轴对称，构造喷管出口马赫数等于M，对应喷管关键位置的设计尺寸包覆喷管关键位置尺寸；(3)计算构造喷管的流场作为基准流场；(4)将关键位置形状和尺寸在基准流场相应横向截面投影，抽取形状上点对应的流线；(5)在CAD中新建作业，将流线的坐标数组导入，按照喷管设计要求进行排布得到构造喷管的气动型面。
Description
技术领域
本发明属于高超声速风洞的技术领域，具体地涉及一种高超声速风洞的喷管的构造方法。
背景技术
风洞是气体动力学研究重要的地面设备，其作用是模拟运动中的气流环境，其气动设计目标是风洞喷管实验段马赫数达到设计马赫数，实验段截面马赫数分布均匀，喷管出口的气流方向与风洞轴线平行；其方案设计还要兼顾喷管的适用性和经济性。
在目前的高超声速技术研究中，风洞尤其是必不可少的设备。在高超声速超燃冲压发动机技术研究中，由于气流在经过喷管加速到高超音速的过程中会急剧膨胀，温度会随之急剧下降，从而引起气体的自身液化。为避免气体液化或达到实验模拟需要的温度，必须在高超音速风洞中喷管上游装设加热装置。高焓(温度可大于2000K)风洞是不可替代的地面实验设备，其运行费用不菲。
目前国内高超音速风洞喷管结构形式均为轴对称喷管和二维喷管(也称二元喷管，其结构一般为四块板，包括两两相对的两块气动型面板和两块侧面平板，所述气动型面板和侧面直板组成二维收缩-扩张通道,其气动型面为二维曲线)，前者具有出口流场品质好的优点，后者具有加工经济性好的优点。如中国科学院力学研究所建设的国内第一座高超声速推进实验装置采用了二维喷管；另外中国空气动力研究与发展中心，航天科工集团三院，国防科技大学等建成和在建的高速和超高速风洞都采用了轴对称喷管或二维喷管。
由于目前超燃冲压发动机最为认可的截面形状是长方形，如果风洞喷管采用轴对称喷管，则喷管出口可用于实验的流场核心区有相当一部分的浪费，相应的设备建设费用和日常运行费用都会增加很多；如果风洞喷管采用出口截面形状与发动机截面形状一致的二维(二元)喷管，喷管出口马赫数与喷管面积比成正比，而喷管面积比为喷管气动型面出口高度尺寸与喉部高度尺寸之比。当喷管出口尺寸一定的情况下，高马赫数工况喷管喉部(最小气动截面)会是一个狭缝，同时高马赫数要求的高温气流将使喷管喉部热流很大，约是轴对称喷管的1.5倍，造成冷却困难，甚至是喷管的烧毁。如果采用二维特征线方法设计出来的二维气动曲线做气动型面，拼成出口为设计要求的截面形状，那么气流在喷管内仍然是二维膨胀，会造成喷管出口截面流场参数的不均匀，不能用于实验研究。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种高超声速风洞的喷管的构造方法,其既可以实现喷管出口截面形状与实验件截面形状一致(可为任意形状)，大大降低建设成本和运行成本，又同时避免二维形式喷管在高马赫数工况下的喉部冷却困难问题。
本发明的技术解决方案是：这种高超声速风洞的喷管的构造方法，包括以下步骤：
(1)根据喷管设计要求确定其关键位置横向截面的形状和尺寸、以及设计喷管出口马赫数M，关键位置根据喷管设计要求为喷管入口至出口的任一横截面；
(2)根据轴对称特征线方法获取构造喷管的型面曲线，构造喷管为轴对称，构造喷管出口马赫数等于M，对应喷管关键位置的设计尺寸包覆喷管关键位置尺寸；
(3)根据流体力学方法计算步骤(2)的构造喷管的流场，以此作为构造喷管的基准流场；
(4)将步骤(1)中的关键位置形状和尺寸在步骤(3)中的基准流场相应横向截面进行投影，并抽取形状上点对应的流线；
(5)在CAD建模软件中新建一个作业，将步骤(4)中得到的流线的坐标数组导入，按照喷管设计要求进行排布得到构造喷管的气动型面。
本发明的构造喷管由于喉部截面形状可以不再是一条狭缝，所以喉部热流密度低，避免二维形式喷管在高马赫数工况下的喉部冷却困难问题；而通过本发明的构造方法可以实现喷管出口截面形状与实验件截面形状一致，大大降低试验设备建设成本和运行成本。
附图说明
图1是本发明实施例的特征线方法设计的出口马赫数4的轴对称喷管气动曲线。
图2是本发明实施例的出口马赫数4的轴对称喷管流场计算结果马赫数云图。
图3是本发明实施例的出口马赫数4的轴对称喷管流场流线提取位置。
图4是本发明实施例的轴对称喷管流场流线排布得到的三维膨胀喷管气动型面。
图5是根据本发明的高超声速风洞的喷管的构造方法的流程图。
图6是本发明一个优选实施例的喷管出口的结构示意图。
具体实施方式
如图5所示，这种高超声速风洞的喷管的构造方法，包括以下步骤：
(1)根据喷管设计要求确定其关键位置横向截面的形状和尺寸、以及设计喷管出口马赫数M，关键位置根据喷管设计要求为喷管入口至出口的任一横截面；
(2)根据轴对称特征线方法获取构造喷管的型面曲线，构造喷管为轴对称，构造喷管出口马赫数等于M，对应喷管关键位置的设计尺寸包覆喷管关键位置尺寸；
(3)根据流体力学方法计算步骤(2)的构造喷管的流场，以此作为构造喷管的基准流场；
(4)将步骤(1)中的关键位置形状和尺寸在步骤(3)中的基准流场相应横向截面进行投影，并抽取形状上点对应的流线；
(5)在CAD建模软件中新建一个作业，将步骤(4)中得到的流线的坐标数组导入，按照喷管设计要求进行排布得到构造喷管的气动型面。
本发明的构造喷管由于喉部截面形状可以不再是一条狭缝，所以喉部热流密度低，避免二维形式喷管在高马赫数工况下的喉部冷却困难问题；而通过本发明的构造方法可以实现喷管出口截面形状与实验件截面形状一致，大大降低试验设备建设成本和运行成本。
本发明提供的风洞喷管方案，具有气流收缩段和扩张段。亚声速/超声速气流在喷管入口进入收缩段不断加速/减速，至喷管最小截面处达到马赫数1；超声速/亚声速气流在扩张段继续加速/减速，至出口达到预定马赫数。收缩段保证气流加速过程中不分离，扩张段保证风洞要求的出口气流条件。该喷管包括若干块气动型面板，所述气动型面板组成三维收缩-扩张通道。气动型面板均为气动设计三维曲面，能够保证气流在经过三维膨胀后，在喷管出口截面气流品质良好。
喷管在设计过程中的基本思想是，根据喷管设计要求确定喷管关键位置截面形状和尺寸后，首先根据特征线理论设计轴对称喷管型面并计算其流场，然后在流场相应截面抽取流线按照喷管设计要求组成最终设计喷管的气动型面。
另外，所述步骤(1)中，喷管的喉部为矩形，尺寸为a×b，a为矩形的长，b为矩形的宽。
更进一步地，a＝b。例如，当喷管设计要求是出口马赫数为4、喷管喉部为58mm×58mm正方形的三维膨胀喷管时，采用特征线方法获取构造喷管的喉部半径41mm、出口马赫数4的轴对称喷管型面，并进行轴对称喷管流场数值计算；在轴对称喷管流场中，抽取其喉部Y向坐标29mm至41mm位置的流线；将所抽取流线在CAD建模软件中按照喷管设计要求进行排布生成三维膨胀喷管。
另外，所述步骤(3)中，通过软件Fluent获取构造喷管的流场。
另外，所述步骤(4)中，通过软件Tecplot9.0实现：(4.1)打开步骤(3)中流场计算结果，设置要抽取流线的具体位置和数量；(4.2)将标记的流线抽取为坐标；(4.3)将Tecplot中抽取的流线的坐标存为数据文件。
另外，如图6所示，当喷管设计要求是出口马赫数为3.25、出口横截面为中间矩形两侧半圆形的三维膨胀喷管时，矩形为210mm×70mm，半圆的半径为70mm，采用特征线方法获取构造喷管的出口直径为280mm、出口马赫数3.25的轴对称喷管型面，并进行轴对称喷管流场数值计算；在轴对称流场中，抽取其出口半径方向35mm～140mm位置的流线；将所抽取流线在CAD建模软件中按照喷管设计要求进行排布生成三维膨胀喷管。
下面对本发明的实施例进行更详细的说明。
不失一般性的，假定需要设计如下喷管：喷管出口马赫数M，喷管喉部尺寸为a×b(a、b为方形的边长长度，设a>b)，本发明的喷管设计要包括以下几个过程：
(1)根据三维喷管设计要求确定其关键位置横向截面的形状和尺寸，例如关键位置为喉部，其截面形状为方形，尺寸a×b；
(2)采用轴对称特征线方法设计轴对称喷管的型面曲线，见图1，其设计马赫数与(1)中设计要求一致，为M；其在喉部(对应于步骤(1)中设计要求的关键位置为喉部)设计尺寸包覆(1)中最终设计喷管喉部的尺寸，即喉部直径尺寸不小于
(3)采用计算流体力学方法计算(2)中轴对称喷管的流场作为设计三维喷管的基准流场，可以用商业计算软件(如Fluent)或自编计算程序。见图2，这里给出的是计算结果的马赫数等值线图，以M＝4为例；
(4)将(1)中要求的喉部形状和尺寸在(3)中的基准流场相应横向截面进行投影，并抽取投影形状上点对应的流线，如在后处理软件Tecplot9.0中，执行以下操作：
(a)用Tecplot9.0打开(3)中流场计算结果，菜单Field-StreamtracePlacement中设置要抽取流线的具体位置和数量：轴对称喷管喉部Y向坐标到位置，数量若干条，一般10～15条左右比较合适；
(b)菜单Extract-Streamtraces-Extract，将上面标记的流线抽取为坐20标；
(c)菜单File-Write Data File，将Tecplot中抽取的流线坐标存为数据文件；
(5)在CAD建模软件中(如西门子NX 9.0)新建一个作业，将(4)中得到的流线坐标数组导入(执行操作：插入-曲面-通过点-文件中的点)，排布得到三维喷管气动型面，其中关键位置横向截面的形状和尺寸符合设计要求，见图4。
本发明可以用于任意尺寸、任意其它截面形状和高超声速风洞喷管、低速超声速喷管和亚声速喷管的设计。以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案的保护范围。
Claims (7)
1.一种高超声速风洞的喷管的构造方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)根据喷管设计要求确定其关键位置横向截面的形状和尺寸、以及设计喷管出口马赫数M，关键位置根据喷管设计要求为喷管入口至出口的任一横截面；
(2)根据轴对称特征线方法获取构造喷管的型面曲线，构造喷管为轴对称，构造喷管出口马赫数等于M，对应喷管关键位置的设计尺寸包覆喷管关键位置尺寸；
(3)根据流体力学方法计算步骤(2)的构造喷管的流场，以此作为构造喷管的基准流场；
(4)将步骤(1)中的关键位置形状和尺寸在步骤(3)中的基准流场相应横向截面进行投影，并抽取形状上点对应的流线；
(5)在CAD建模软件中新建一个作业，将步骤(4)中得到的流线的坐标数组导入，按照喷管设计要求进行排布得到构造喷管的气动型面。
2.根据权利要求1所述的高超声速风洞的喷管的构造方法，其特征在于：所述步骤(1)中，喷管的喉部为矩形，尺寸为a×b，a为矩形的长，b为矩形的宽。
3.根据权利要求2所述的高超声速风洞的喷管的构造方法，其特征在于：a＝b。
4.根据权利要求1所述的高超声速风洞的喷管的构造方法，其特征在于：所述步骤(3)中，通过软件Fluent获取构造喷管的流场。
5.根据权利要求4所述的高超声速风洞的喷管的构造方法，其特征在于：所述步骤(4)中，通过软件Tecplot9.0实现：(4.1)打开步骤(3)中流场计算结果，设置要抽取流线的具体位置和数量；(4.2)将标记的流线抽取为坐标；(4.3)将Tecplot中抽取的流线的坐标存为数据文件。
6.根据权利要求3所述的高超声速风洞的喷管的构造方法，其特征在于：当喷管设计要求是出口马赫数为4、喷管喉部为58mm×58mm正方形的三维膨胀喷管时，采用特征线方法获取构造喷管的喉部半径41mm、出口马赫数4的轴对称喷管型面，并进行轴对称喷管流场数值计算；在轴对称喷管流场中，抽取其喉部Y向坐标29mm至41mm位置的流线；将所抽取流线在CAD建模软件中按照喷管设计要求进行排布生成三维膨胀喷管。
7.根据权利要求1所述的高超声速风洞的喷管的构造方法，其特征在于：当喷管设计要求是出口马赫数为3.25、出口横截面为中间矩形两侧半圆形的三维膨胀喷管时，矩形为210mm×70mm，半圆的半径为70mm，采用特征线方法获取构造喷管的出口直径为280mm、出口马赫数3.25的轴对称喷管型面，并进行轴对称喷管流场数值计算；在轴对称流场中，抽取其出口半径方向35mm～140mm位置的流线；将所抽取流线在CAD建模软件中按照喷管设计要求进行排布生成三维膨胀喷管。
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