CN108363888B - 一种流道收缩曲线设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种流道收缩曲线设计方法，包括流道收缩曲线开始截面定义的入口截面和收缩曲线结束截面定义的喉部截面；以入口截面圆心为原点，流动方向为X轴，入口截面半径方向为Y轴建立坐标系，流道收缩曲线满足方程：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
，入口截面的半径设为R，喉部截面的半径设为r，收缩曲线轴向总长度设为L，则：b=L/（
Figure DEST_PATH_IMAGE004
/
Figure DEST_PATH_IMAGE006
‑1），a=R
Figure DEST_PATH_IMAGE008
。本流道收缩曲线设计方法，由流体力学微分方程推导出对应的收缩曲线方程，并引入常数c，‑0.5≤c≤‑0.25，此方程在实际应用中，可以在流场压力梯度与速度梯度之间取得适度均衡，从而达到设计和使用要求，以解决现有技术中曲线入口和出口压力收缩过快，导致壁面分离，容易出现速度过冲，影响出口速度的稳定问题。

Description

一种流道收缩曲线设计方法
技术领域
本发明涉及水射流以及风洞、水洞等流体技术领域，具体为一种流道收缩曲线设计方法。
背景技术
流道收缩曲线属于流体技术领域，功能是提供流体通道从大截面向小截面的过渡曲线。流道收缩曲线最基本的设计要求是保证流场均匀平稳过渡；其次还有减小能量损失、减小汽蚀风险等技术要求。目前流道收缩曲线主要用于水射流喷嘴以及风洞、水洞等流体技术领域。
水射流喷嘴用流道收缩曲线是按经典喷嘴理论设计的，即长径比1.5-4的锥度。这种设计比较粗糙：长径比大则需要增大流道的空间尺寸，长径比小则出口速度难以稳定。锥度流道收缩曲线，截面收缩率与截面半径成正比，入口收缩最快，容易出现逆压梯度，所以长径比不能太小。
风洞、水洞流道收缩曲线，用到的类型较多，以维托辛斯基曲线、双三次曲线、五次曲线居多。维托辛斯基曲线入口压力收缩过快，容易出现逆压梯度，导致壁面分离；双三次曲线、五次曲线出口收缩过快，容易出现速度过冲，影响出口速度的稳定。
发明内容
本发明的目的在于提供一种流道收缩曲线设计方法，以解决上述背景技术中提出的曲线入口和出口压力收缩过快，导致壁面分离，影响出口速度的稳定问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种流道收缩曲线设计方法，包括入口截面和喉部截面，所述入口截面定义为流道收缩曲线的开始截面；所述喉部截面定义为流道收缩曲线的结束截面；所述入口截面的圆心设为原点，流动方向设为X轴，入口截面的半径方向为Y轴建立坐标系，流道收缩曲线满足方程：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
(其中: -0.5≤c≤-0.25)
入口截面1的半径设为R，喉部截面2的半径设为r，收缩曲线轴向总长度设为L，则：
b=L /（
Figure 423914DEST_PATH_IMAGE002
/
Figure DEST_PATH_IMAGE003
-1）
a=R
Figure 747448DEST_PATH_IMAGE004
优选的，当c= -0.5时，流体以恒定速度梯度通过流道收缩区域；当c= -0.25时，流体以恒定压力梯度通过流道收缩区域。
优选的，当c=-1/e时，e为自然对数底，曲线方程等价于：y = a - ln(x+b) 或x =
Figure DEST_PATH_IMAGE005
- b。
优选的，所述c的取值范围进一步可选为-0.5<c<-0.25。
优选的，所述流道收缩曲线两端有过渡曲线，过渡曲线由过度圆弧和过度直线拼接而成，其满足流道收缩曲线方程的曲线段轴向长度超过流道总轴向长度的50%，都在本专利的保护范围。
优选的，通过曲线拟合方式完成上述设计的，都在本专利的保护范围。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本流道收缩曲线设计方法，由流体力学微分方程推导出对应的收缩曲线方程
Figure 745490DEST_PATH_IMAGE001
，并引入常数c，-0.5≤c≤-0.25，此方程在实际应用中，可以在流场压力梯度与速度梯度之间取得适度均衡，从而达到设计和使用要求，以解决现有技术中曲线入口和出口压力收缩过快，导致壁面分离，容易出现速度过冲，影响出口速度的稳定问题。
附图说明
图1为本发明的实施示意图；
图2为本发明两端有过渡曲线的实施示意图。
图中：1入口截面；2喉部截面；3过度圆弧；4过度直线。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参阅图1-2，本发明实施例中：流道收缩曲线设计方法是：流道收缩曲线开始截面定义为入口截面1，收缩曲线结束截面定义为喉部截面2，以入口截面1圆心为原点，流动方向为X轴，入口截面2半径方向为Y轴建立坐标系，流道收缩曲线满足方程：
Figure 801170DEST_PATH_IMAGE001
(其中：-0.5≤c≤-0.25)
入口截面1半径R，喉部截面2半径r，收缩曲线轴向总长度L，则
b=L /（
Figure 617817DEST_PATH_IMAGE002
/
Figure 417145DEST_PATH_IMAGE003
-1）
a=R
Figure 2848DEST_PATH_IMAGE004
本发明流道收缩曲线是由流体力学微分方程推导出来的：
实施例1：设计要求轴向速度梯度恒定，也就是轴向速度加速度恒定时，对应的收缩曲线由流体力学微分方程推导必定是：
Figure DEST_PATH_IMAGE007
照此设计流道收缩曲线，在流道收缩区域，流体沿着流动方向具有恒定的速度增量，直到在喉部达到设计要求的最高速度；流道收缩曲线内部流场平稳，因为没有收缩忽快忽慢的问题，全程无逆压梯度，无壁面分离风险，也没有出口速度过冲问题；适用于对速度梯度要求较高的流体工程应用。
实施例2：设计要求轴向压力梯度恒定，也就是轴向压力加速度恒定时，对应的收缩曲线由流体力学微分方程推导必定是：
Figure DEST_PATH_IMAGE009
照此设计流道收缩曲线，在流道收缩区域，流体沿着流动方向具有恒定的压力衰减量，直到在喉部达到最低压力；适用于对压力梯度要求较高的流体工程应用。
引入常数c，-0.5≤c≤-0.25，写成通用方程：
Figure 619643DEST_PATH_IMAGE001
此方程在实际应用中，可以在流场压力梯度与速度梯度之间取得适度均衡，从而达到设计和使用要求，以解决现有技术中曲线入口和出口压力收缩过快，导致壁面分离，容易出现速度过冲，影响出口速度的稳定问题。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种流道收缩曲线设计方法，其特征在于，包括入口截面(1)和喉部截面(2)，所述入口截面(1)定义为流道收缩曲线的开始截面；所述喉部截面(2)定义为流道收缩曲线的结束截面；所述入口截面(1)的圆心设为原点，流动方向设为X轴，入口截面(1)的半径方向为Y轴建立坐标系，流道收缩曲线满足方程：
y＝a(x+b)c(其中:-0.5≤c≤-0.25)
入口截面(1)的半径设为R，喉部截面(2)的半径设为r，收缩曲线轴向总长度设为L，则：
b＝L/(Rc/rc-1)
a＝R/bc
2.如权利要求1所述的一种流道收缩曲线设计方法，其特征在于：当c＝-0.5时，流体以恒定速度梯度通过流道收缩区域；当c＝-0.25时，流体以恒定压力梯度通过流道收缩区域。
3.如权利要求1所述的一种流道收缩曲线设计方法，其特征在于：当c＝-1/e时，e为自然对数底，曲线方程等价于：y＝a-ln(x+b)或x＝ea-y-b。
4.如权利要求1所述的一种流道收缩曲线设计方法，其特征在于：所述c的取值范围进一步可选为-0.5<c<-0.25。
5.如权利要求1或2或3或4任意一项所述的一种流道收缩曲线设计方法，其特征在于，所述流道收缩曲线两端有过渡曲线，过渡曲线由过度圆弧(3)和过度直线(4)拼接而成，其满足流道收缩曲线方程的曲线段轴向长度超过流道总轴向长度的50％，都在本专利的保护范围。
6.如权利要求1或2或3或4任意一项所述的一种流道收缩曲线设计方法，其特征在于，通过曲线拟合方式完成上述设计的，都在本专利的保护范围。
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