CN108876911A - 一种超声速流道三维流场计算方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种超声速流道三维流场计算方法及装置，该方法包括：预先设计轴对称内收缩的基准流场；通过已知线型的捕获截面在所述基准流场中进行流线追踪，获得三维内转向进气道；离散所述三维内转向进气道中的所述捕获截面，用若干微元流面等效进所述捕获截面；计算每个所述微元流面到所述基准流场中旋成轴的距离，根据该距离在所述基准流场中追踪相应的微元流管；在基准流场中提取每条所述微元流管的坐标信息和流动参数；根据所述微元流管的坐标信息和流动参数，获得三维内转向进气道流场。与现有技术相比，该方法能够解决传统进气道流场计算方法程序复杂费时费力的问题。

Description

一种超声速流道三维流场计算方法及装置

技术领域

本发明涉及超燃冲压发动机进气道技术领域，尤其是一种超声速流道三维流场计算方法

背景技术

超燃冲压发动机是高超声速飞行器的动力部件，其主要由进气道、隔离段、燃烧室和尾喷管四部分组成。高超声速进气道是超燃冲压发动机的供气部件，为发动机燃烧室提供足量且较高品质的来流，保证发动机正常高效工作。三维内转向进气道因其具有总压损失小、流量捕获能力强、外阻小以及便于一体化设计等诸多优势，得到了广泛应用。

内转向进气道的设计是一个迭代设计过程，即设计者首先根据自身经验设计出一个初始方案，然后根据设计结果的优劣程度，不断调整设计过程，反复进行，直到设计出满足要求的进气道。另外，随着内转向进气道的研究和工程应用的不断深入，利用计算机进行自动优化设计也逐步成为必要阶段。无论是设计者的人工迭代设计，还是利用计算机自动优化设计，都需要计算大量的三维进气道流场，因此发展内转向进气道三维流场的快速计算方法具有十分重要的工程应用价值。

在进气道设计过程中，都希望能够方便、快速甚至实时知晓所设计出来的进气道的性能参数，比如总压恢复系数、压升、总收缩比、内收缩比等等。目前一般的做法是，首先将设计出来的三维进气道导入三维建模软件(如Solidworks、Catia等)进行三维成型；然后，将生成的三维模型导入网格绘制软件(如ICEM、Pointwise等)进行三维网格绘制；最后，利用计算流体力学(CFD)程序或软件(如CFX、Fluent等)计算三维流场，获得进气道性能参数。这一过程涉及到三维建模、三维网格绘制以及三维CFD计算，十分费时费力，延缓了设计进程。具体参见论文《基于PNS算法的高超声速内转式进气道优化设计》(2017年，《推进技术》期刊)。

发明内容

本发明提供一种超声速流道三维流场计算方法及装置，用于克服现有技术中费时费力、浪费计算资源等缺陷，节约计算时间和计算资源，提高计算速度。

为实现上述目的，本发明提出一种超声速流道三维流场计算方法，包括：

步骤1，预先设计轴对称内收缩的基准流场；

步骤2，根据进气道捕获截面形状在所述基准流场中进行流线追踪，获得三维内转向进气道；

步骤3，离散所述三维内转向进气道中的所述捕获截面，用若干微元流面等效进所述捕获截面；

步骤4，计算每个所述微元流面到所述基准流场中旋成轴的距离，根据该距离在所述基准流场中追踪相应的微元流管；

步骤5，在基准流场中提取每条所述微元流管的坐标信息和流动参数；

步骤6，根据所述微元流管的坐标信息和流动参数，获得三维内转向进气道流场。

为实现上述目的，本发明还提供一种超声速流道三维流场计算装置，包括：

预制模块，用于预先设计轴对称内收缩的基准流场；

追踪模块，用于根据进行到捕获截面形状在所述基准流场中进行流线追踪，获得三维内转向进气道；

等效模块，用于离散所述三维内转向进气道中的所述捕获截面，用若干微元流面等效进所述捕获截面；

计算模块，用于计算每个所述微元流面到所述基准流场中旋成轴的距离，根据该距离在所述基准流场中追踪相应的微元流管；

提取模块，用于在基准流场中提取每条所述微元流管的坐标信息和流动参数；

获取模块，根据所述微元流管的坐标信息和流动参数，获得三维内转向进气道流场。

本发明提供的超声速流道三维流场计算方法及装置，内转向进气道的内部流场实质上就是轴对称基准流场的子流场，子流场完全由基准流场以及进气道捕获截面形状决定，通过用多个离散的微元流面等效捕获截面，根据微元流面到基准流场旋成轴的距离在基准流场中追踪相应的微元流管，再在基准流场中提取各微元流管的坐标信息及流动参数，据此获得进气道三维流场，由于无需经过三维建模、三维网格绘制、流场计算等过程就可以直接获得内转向进气道无粘流场，降低了求解进气道流场的复杂度，大大提高了进气道流场计算速度，并且能达到所需的计算精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明实施例一提供的超声速流道三维流场计算方法中基准流场的示意图；

图2为具有圆形捕获型线的基准流场前视图；

图3为在图1所示基准流场中利用图2所示捕获型线追踪获得的三维内转向进气道的结构示意图；

图4为本发明实施例计算得到的进气道压比沿流向分布与CFD结果对比图；

图5为计算得到的进气道马赫数沿流向分布与CFD结果对比图；

图6为本发明实施例二提供的超声速流道三维流场计算装置的结构示意图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

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的一部分实施例，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作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。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

本发明提出一种超声速流道三维流场计算方法及装置。

实施例一

请参照图1至图5，本发明实施例提供一种超声速流道三维流场计算方法，包括：

步骤S1，预先设计轴对称内收缩的基准流场；

图1是预先设计好的轴对称基准流场，流场以马赫数等值线的形式将示出。x轴为旋转对称轴。基准流场的设计工况：马赫数Ma5.0，静压P2513.2pa，温度T222.6K。x/R_i表示基准流场流向的无量纲坐标，其中R_i为基准流场入口高度，r/R_i为基准流场径向的无量纲坐标；

步骤S2，根据进气道捕获截面形状在所述基准流场中进行流线追踪，获得三维内转向进气道；

图2为该基准流场沿流向的视图，图2中圆形即为进气道捕获截面。图2中：y/R_i为基准流场入口y向的无量纲坐标，其中R_i为基准流场入口高度；z/R_i为基准流场入口z向的无量纲坐标，r_i为微元流管i距离中心体圆心的距离；

所述步骤S2中，所述捕获截面的线型为圆形。此外进气道捕获截面还可以是矩形、椭圆形或其他不规则图形；根据图2中的圆形捕获截面，在图1所示的基准流场中进行流线追踪，即可获得三维内转向进气道，如图3所示；

步骤S3，离散所述三维内转向进气道中的所述捕获截面，用若干微元流面等效进所述捕获截面；

用若干离散的微元流面等效进所述捕获截面，图2中的小圆表示一个微元流面i，为提高计算精度，减小误差，每个微元流面i的面积应当尽可能的小，至少达到整个捕获截面的1％；

步骤S4，计算每个所述微元流面到所述基准流场中旋成轴的距离，根据该距离在所述基准流场中追踪相应的微元流管；

计算微元流面i到旋成轴的距离ri，根据距离ri，在基准流场中追踪相应的微元流管i，如图1所示。为显示方便，图1和图2中仅画出了一条微元流管i和一个微元流面i，实际操作过程中应当用尽可能多的微元流面来等效整个进气道捕获截面。

步骤S5，在基准流场中提取每条所述微元流管的坐标信息和流动参数；

在基准流场中提取微元流管i的坐标信息和流动参数。由于基准流场已经事先设计得到，因此可以提取其中每条微元流管i的信息，坐标信息包括：流向坐标x_i、展向坐标y_i、法向坐标z_i；每个坐标点上的流动参数包括：压力p_i(x,y,z)、马赫数Ma_i(x,y,z)、总压P0_i(x,y,z)、温度T_i(x,y,z)等。

步骤S6，根据所述微元流管的坐标信息和流动参数，获得三维内转向进气道流场。

根据坐标信息，将离散流管i上的流动参数进行插值，得到进气道三维流场；在某一流向截面上，提取各离散流管i在该截面处的流动参数，并根据坐标信息进行插值，得到进气道在该截面的二维流动参数；将二维流动参数在该截面积分得到进气道在该流向位置处的一维流动参数。

所述步骤S6包括：

步骤S61，根据坐标信息，将离散流管上的流动参数进行插值，得到三维内转向进气道流场；

步骤S62，在所述三维内转向进气道流场任意一流向截面上，提取各离散的所述微元流管在该截面处的流动参数，并根据坐标信息进行插值，得到进气道在该截面的二维流动参数；

步骤S63，将二维流动参数在该截面积分得到进气道在该流向位置处的一维流动参数，质量平均的流动参数计算公式如下：

其中η为任一流动参数，为x截面位置进气道质量平均流动参数，η_x,i为第i个微元流管在x截面处的流动参数，A_∞,i为第i个微元流面的面积，A_∞,capture为进气道捕获截面的面积。

图4和图5分别给出了利用本发明的快速计算方法计算得到的进气道沿流向压比和马赫数的分布曲线，并与CFD软件Fluent计算的结果进行的对比。结果表明，利用本发明方法计算内转向进气道的无粘流场，能够达到与CFD软件相同的精算精度，误差在1％左右。图4中：x/R_i表示基准流场流向的无量纲坐标，其中R_i为基准流场入口高度，p/p_∞进气道在流向截面上的无量纲静压，其中p_∞表示来流静压；图5中：x/R_i表示基准流场流向的无量纲坐标，其中R_i为基准流场入口高度，Ma进气道在流向截面上的马赫数；

在利用CFD软件获得进气道流场，需要依次进行三维建模、三维网格绘制以及计算，对于熟练的工程技术人员这一过程也需要数个小时。利用本发明提出的计算方法，计算这种特定的内转向进气道三维无粘流场，所需时间在几秒量级。

实施例二

请参照图6，在实施例一的基础上，本发明实施例提供一种超声速流道三维流场计算装置，包括预制模块1、追踪模块2、等效模块3、计算模块4、提取模块5、获取模块6，其中：

预制模块1用于预先设计轴对称内收缩的基准流场；

追踪模块2用于根据进气道捕获截面形状在所述基准流场中进行流线追踪，获得三维内转向进气道；

等效模块3用于离散所述三维内转向进气道中的所述捕获截面，用若干微元流面等效进所述捕获截面；

计算模块4用于计算每个所述微元流面到所述基准流场中旋成轴的距离，根据该距离在所述基准流场中追踪相应的微元流管；

提取模块5用于在基准流场中提取每条所述微元流管的坐标信息和流动参数；

获取模块6根据所述微元流管的坐标信息和流动参数，获得三维内转向进气道流场。

优选地，所述追踪模块2中，所述捕获截面的线型为圆形。

优选地，所述等效模块3中，每个微元流面的面积应当不小于整个捕获截面的1％。

优选地，所述提取模块5中，所述坐标信息包括流向坐标x、展向坐标y、法向坐标z，所述流动参数包括压力p、马赫数Ma、总压P₀、温度T。

优选地，所述获取模块6包括参数插值子模块61、坐标插值子模块62、积分子模块63，其中：

参数插值子模块61用于根据坐标信息，将离散流管上的流动参数进行插值，得到三维内转向进气道流场；

坐标插值子模块62用于在所述三维内转向进气道流场任意一流向截面上，提取各离散的所述微元流管在该截面处的流动参数，并根据坐标信息进行插值，得到进气道在该截面的二维流动参数；

积分子模块63用于将二维流动参数在该截面积分得到进气道在该流向位置处的一维流动参数，质量平均的流动参数计算公式如下：

其中η为任一流动参数，为x截面位置进气道质量平均流动参数，η_x,i为第i个微元流管在x截面处的流动参数，A_∞,i为第i个微元流面的面积，A_∞,capture为进气道捕获截面的面积。本实施例的装置的实现参照上述实施例一中方法的实现。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种超声速流道三维流场计算方法，其特征在于，包括：

步骤1，预先设计轴对称内收缩的基准流场；

步骤2，根据进气道捕获截面形状在所述基准流场中进行流线追踪，获得三维内转向进气道；

步骤3，离散所述三维内转向进气道中的所述捕获截面，用若干微元流面等效进所述捕获截面；

步骤4，计算每个所述微元流面到所述基准流场中旋成轴的距离，根据该距离在所述基准流场中追踪相应的微元流管；

步骤5，在基准流场中提取每条所述微元流管的坐标信息和流动参数；

步骤6，根据所述微元流管的坐标信息和流动参数，获得三维内转向进气道流场。

超声速流道三维流场

2.如权利要求1所述的超声速流道三维流场计算方法，其特征在于，在步骤3中，每个微元流面的面积应当不小于整个捕获截面的1％。

3.如权利要求1所述的超声速流道三维流场计算方法，其特征在于，在步骤5中，所述坐标信息包括流向坐标x、展向坐标y、法向坐标z，所述流动参数包括压力p、马赫数Ma、总压P₀、温度T。

4.如权利要求1～3任一项所述的超声速流道三维流场计算方法，其特征在于，所述步骤6包括：

步骤61，根据坐标信息，将离散流管上的流动参数进行插值，得到三维内转向进气道流场；

步骤62，在所述三维内转向进气道流场任意一流向截面上，提取各离散的所述微元流管(i)在该截面处的流动参数，并根据坐标信息进行插值，得到进气道在该截面的二维流动参数；

步骤63，将二维流动参数在该截面积分得到进气道在该流向位置处的一维流动参数，质量平均的流动参数计算公式如下：

其中η为任一流动参数，为x截面位置进气道质量平均流动参数，η_x,i为第i个微元流管在x截面处的流动参数，A_∞,i为第i个微元流面的面积，A_∞,capture为进气道捕获截面的面积。

5.一种超声速流道三维流场计算装置，其特征在于，包括：

预制模块，用于预先设计轴对称内收缩的基准流场；

追踪模块，用于根据进气道捕获截面形状在所述基准流场中进行流线追踪，获得三维内转向进气道；

等效模块，用于离散所述三维内转向进气道中的所述捕获截面，用若干微元流面等效进所述捕获截面；

计算模块，用于计算每个所述微元流面到所述基准流场中旋成轴的距离，根据该距离在所述基准流场中追踪相应的微元流管；

提取模块，用于在基准流场中提取每条所述微元流管的坐标信息和流动参数；

获取模块，根据所述微元流管的坐标信息和流动参数，获得三维内转向进气道流场。

超声速流道三维流场

6.如权利要求5所述的超声速流道三维流场计算装置，其特征在于，所述等效模块中，每个微元流面的面积应当不小于整个捕获截面的1％。

7.如权利要求5所述的超声速流道三维流场计算装置，其特征在于，所述提取模块中，所述坐标信息包括流向坐标x、展向坐标y、法向坐标z，所述流动参数包括压力p、马赫数Ma、总压P₀、温度T。

8.如权利要求5～8任一项所述的超声速流道三维流场计算装置，其特征在于，所述获取模块包括：

参数插值子模块，用于根据坐标信息，将离散流管上的流动参数进行插值，得到三维内转向进气道流场；

坐标插值子模块，用于在所述三维内转向进气道流场任意一流向截面上，提取各离散的所述微元流管在该截面处的流动参数，并根据坐标信息进行插值，得到进气道在该截面的二维流动参数；

积分子模块，用于将二维流动参数在该截面积分得到进气道在该流向位置处的一维流动参数，质量平均的流动参数计算公式如下：

其中η为任一流动参数，为x截面位置进气道质量平均流动参数，η_x,i为第i个微元流管在x截面处的流动参数，A_∞,i为第i个微元流面的面积，A_∞,capture为进气道捕获截面的面积。