CN108999845A - 一种基于几何融合的三维变截面弯曲流道设计方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于几何融合的三维变截面弯曲流道设计方法及系统，该方法包括：根据弯曲流道设定的出入口形状，通过数学函数变换获得入口至出口平滑过渡的过渡截面；以截面积的变化率要求为迭代目标通过数值迭代获取过渡截面的缩放因子，获得若干离散过渡截面；出入口之间沿偏置线设至少三个控制点，由出入口的偏置斜率要求采用样条曲线通过控制点移动引入控制点的变量，获得偏置控制线；将离散的过渡截面装配到对应的偏置点上；将出入口及过渡截面的坐标放样成型，获得三维弯曲变截面流道。该方案实现弯曲变截面流道的通用设计，解决了适用性不强的问题，满足入口和出口形状要求，同时也能满足偏置要求，提高适用性。

Description

一种基于几何融合的三维变截面弯曲流道设计方法及装置
技术领域
本发明涉及高超声速发动机技术领域，尤其是一种基于几何融合的三维截面弯曲流道设计方法及装置。
背景技术
在高超声速飞行器设计中，燃烧室通常选择圆截面或者椭圆截面，而上游进气道出口有可能是矩形或者异型，这时连接两个部件的隔离段需要起到过渡截面的作用，同时为满足总体布局需求，隔离段入口和出口中心并不位于同一水平面即进出口是偏置的，这时有必要发展相关方法设计出同时满足两者需求的隔离段，设计的弯曲隔离段性能优良将影响着发动机的性能。
高超声速飞行器是以超燃冲压发动机以及组合发动机为动力，能在大气层和跨大气层中实现高超声速飞行的飞行器。高超声速飞行器涵盖高超声速巡航导弹、高超声速飞机、空天飞机等多个层面，隔离段是高超声速飞行器的重要部件，隔离段的作用主要体现在：一方面能隔离燃烧室内较高反压对上游进气道的影响，避免进气道不起动；另一方面能形成并容纳激波串，对来流进一步减速增压，提供高品质的来流。可见，隔离段性能的优良直接关系到推进系统的工作性能。
对于常规隔离段而言，其构型通常是等直等截面，其长度的确定大多采用以下半经验公式公式确定(具体文献“Structure of Shock Waves in Cylindrical Ducts[J],P.J.Waltrup,F.S.Billig,AIAA Journal,1973”)
对于弯曲隔离段的设计，上述半经验公式并不适用。目前关于弯曲隔离段设计的方法主要有：
文献1，航空动力学报,2009年6月第24卷第6期，周慧晨，其中介绍了一种复杂变截面进气道的设计方法，该方法提出了一种基于曲率控制的截面形状生成与过渡技术，可实现进气道任意进口截面形状向出口圆截面的过渡，为复杂截面变化提供了思路；
文献2，参见申请号为：201210447983.4，申请日为：2012.11.09、名称为《超声速转弯流道设计方法》的中国专利文件，该方法根据流道入口和单边壁面曲线，利用特征线法确定对应于单边壁面曲线的对边壁面曲线，根据出口流场参数确定超声速流道壁面曲线，能够获得全流场为超声速的无激波超声速流道。
目前，关于隔离段的设计大多集中于等直，等截面隔离段。对于等直隔离段，通常采用激波串长度经验公式得到隔离段长度，对于弯曲隔离段此时经验公式并不适用。虽然有文献提出了复杂变截面设计方法，但并没有指出弯曲变截面流道的通用设计方法；采用特征线法通常是只能满足入口形状要求，并不能满足出口形状要求。
发明内容
本发明提供一种基于几何融合的三维截面弯曲流道设计方法及装置，用于克服现有技术中适用性不高等缺陷，实现弯曲变截面流道的通用设计，满足入口和出口形状要求，同时也能满足偏置要求，提高适用性。
为实现上述目的，本发明提出一种基于几何融合的三维截面弯曲流道设计方法，包括以下步骤：
步骤1，根据弯曲流道设定的入口形状、出口形状，通过数学函数变换获得入口至出口平滑过渡的过渡截面；
步骤2，以截面积的变化率要求为迭代目标通过数值迭代获取过渡截面的缩放因子，并根据过渡截面的缩放因子获得若干离散过渡截面；
步骤3，在弯曲流道的入口与出口之间沿偏置线的线程设定至少三个控制点，根据入口、出口的偏置斜率要求采用样条曲线通过控制点的移动引入控制点的变量，进而获得偏置控制线；
步骤4，将离散的过渡截面装配到对应的偏置点上；
步骤5，将入口、出口及过渡截面的坐标放样成型，获得三维弯曲变截面流道。
为实现上述目的，本发明提出一种基于几何融合的三维截面弯曲流道设计系统，包括处理器，以及与所述处理器连接的存储器，所述基于几何融合的三维截面弯曲流道设计程序，所述基于几何融合的三维截面弯曲流道设计程序被所述处理器执行时实现上述方法的步骤。
本发明提供的基于几何融合的三维截面弯曲流道设计方法及系统，首先在不考虑偏置的条件下，将偏置线为直线时，实现入口(例如类矩形)到出口(例如圆形或者椭圆形)的过渡截面；其次，在满足偏置约束要求下，引入控制点，为后期的优化提供变量，获得偏置控制线(可以理解为各个过渡截面中心点在沿程方向构成的曲线)的设计；最后将步骤1得到的各个截面进行装配到形心控制线上，从而实现弯曲变截面三维流道的设计，本发明可根据高超声速飞行器总体布局不同，实现各种类型隔离段的设计，同时满足入口和出口形状要求，及偏置要求，适用性较高。
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为发明实施例一提供的基于几何融合的三维弯曲流道设计方法中弯曲隔离段设计示意图；
图2为图1截面融合示意图；
图3为图2中面积对比示意图；
图4为根据图2获得的过渡截面的示意图；
图5为获得的偏置线示意图；
图6为将图4中的过渡截面装配到图5中的偏置线上；
图7为根据图6获得的三维弯曲变截面流道放样模型。
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。
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
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。
本发明提出一种基于几何融合的三维截面弯曲流道设计方法。
实施例一
请参照图1至图7，本发明提供一种基于几何融合的三维截面弯曲流道设计方法，包括：
步骤1，根据弯曲流道设定的入口形状、出口形状，通过数学函数变换获得入口至出口平滑过渡的过渡截面；
如图1所示，在高超声速飞行器研制过程中，进气道出口为通常为类矩形，燃烧室入口为圆形或者椭圆形，并且两个中心带有一定的偏置，而隔离段是连接进气道和燃烧室的部件，这时需要设计出一种能从异型过渡到圆形或椭圆形，并且能满足偏置的流道。
步骤11，将入口和出口的中心置于坐标系原点，以坐标系原点为对称中心分别从入口和出口上对应地取多个离散的点；参见图2中位于矩形的入口上的四离散点和位于圆形的出口上的四个离散点；
步骤12，通过几何融合算法获得从入口到出口光滑过渡截面的函数关系式。
先实现各个截面的过渡，对于任意两个截面，依据文献“A Procedure forDesigning Forebodies with Constraints on Cross-Cross-section Shape and AxialArea Distribution[J],Barger,R.L,NASA-TP-1881,1981”给出的几何融合公式，可通过数学函数变换将两者平滑过渡。具体方法是，对于给定的入口和出口，首先将两者平移使形心位于坐标原点，然后将其离散为N个点，选取对应的点，获得过渡截面fi(zj,yj)：
fi(zj,yj)＝(1-ki)·fin(zj,yj)+ki·fout(zj,yj)
其中为流向坐标，xin为流道入口流线坐标，xout为流道出口流线坐标，fi(zj,yj)代表某一截面坐标函数。
步骤2，以截面积的变化率要求为迭代目标通过数值迭代获取过渡截面的缩放因子，并根据过渡截面的缩放因子获得若干离散过渡截面；
这时虽然获得了中间截面，但是过渡截面面积并不满足要求，按照设计要求，沿程截面积变化率为A(x)，对于过渡截面fi(zj,yj)，其设计面积为A(xi)，可将过渡截面进行缩放以满足面积要求。
所述步骤2包括：
步骤21，过渡截面fi(zj,yj)的设计面积为A(xi)，将过渡截面进行缩放以满足截面积的变化率要求；
步骤22，假设缩放因子为pi，则设计面积A(xi)满足：
步骤23，通过数值迭代，获得缩放因子pi，进而获得过渡截面
fi(pi·zj,pi·yj)；
步骤24，根据过渡截面fi(pi·zj,pi·yj)获得若干离散过渡截面。
调整后的截面积如图3所示，可见各个截面面积规律满足了要求，最终沿程各个离散截面如图4所示。
步骤3，在弯曲流道的入口与出口之间沿偏置线的线程设定至少三个控制点，根据入口、出口的偏置斜率要求采用样条曲线通过控制点的移动引入控制点的变量，获得偏置控制线；
所述步骤3包括：
步骤31，在弯曲流道的入口与出口之间沿偏置线的线程设定三个控制点；
步骤32，根据入口的偏置斜率要求获得靠近入口的控制点的纵坐标，
根据出口的偏置斜率要求获得靠近出口的控制点纵坐标，位于中间的控制点的横坐标取入口中心到出口中点的横坐标；通常要保证入口和出口水平，即入口和出口的偏置斜率为零；
步骤33，通过样条曲线确定三个控制点另一方向坐标(即三个控制点的变量)；
步骤34，由入口中心点、出口中心点及三控制点的坐标，获得偏置控制线。经过入口中心点、出口中心点及三控制点的样条曲线即偏置控制线，作为设计的弯曲流道的偏置线。
参见图5，本方面采用B样条曲线来实现偏置线。偏置线的定义为每个离散截面参考点的位置，当该截面为几何对称截面时，偏置线可以是中心线。如图5所示，在xy平面，出口偏置为Δy，本文通过样条曲线生成偏置线，具体操作方法如图5，在沿程布置五个控制点，其中①和⑤为起点和终点，保持固定；②和④控制截面入口和出口的偏置斜率，通常要保证入口和出口水平，因此点②和④的y向坐标分别和①和⑤相等，x向坐标可以左右移动(流道优化时即为变量v1,v2)；③点为沿程布置的x方向中点，即x③＝0.5，在y方向坐标可以上下移动(为偏置线的第三个变量v3)，通过这5个控制点即能保证沿流线，偏置单调变化，而且优化时3个变量能保证实现偏置线的全局搜索。在优化过程中，优化变量为v1,v2和v3。
步骤4，将离散的过渡截面装配到对应的偏置点上；包括：
步骤41，通过平移使过渡截面的中心位于偏置控制线上；
步骤42，旋转过渡截面使得过渡截面垂直于该处的偏置控制线。
由以上两个步骤分别获得从入口到出口的各个过渡截面和沿程偏置线的变化方式，接下来只需将各个离散截面装配到对应的偏置点上，具体方法为：对于截面i，有fi(pi·zj,pi·yj)，将其装配到偏置点(xxi,yyi,zzi)上，得
即最终截面i的坐标为
步骤5，将入口、出口及过渡截面的坐标放样成型，获得三维弯曲变截面流道。至此，整个三维流道设计完成，如图6所示。所得流道坐标导入数模软件SOLIDWORKS进行放样成型，图7即为所求的三维弯曲变截面流道。
实施例二
本发明还提供一种基于几何融合的三维截面弯曲流道设计系统，包括处理器，以及与所述处理器连接的存储器，所述基于几何融合的三维截面弯曲流道设计程序，所述基于几何融合的三维截面弯曲流道设计程序被所述处理器执行时实现上述基于几何融合的三维截面弯曲流道方法的步骤。本实施例的实现方式参照上述实施例一的实现。
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)

1.一种基于几何融合的三维截面弯曲流道设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，根据弯曲流道设定的入口形状、出口形状，通过数学函数变换获得入口至出口平滑过渡的过渡截面；
步骤2，以截面积的变化率要求为迭代目标通过数值迭代获取过渡截面的缩放因子，并根据过渡截面的缩放因子获得若干离散过渡截面；
步骤3，在弯曲流道的入口与出口之间沿偏置线的线程设定至少三个控制点，根据入口、出口的偏置斜率要求采用样条曲线通过控制点的移动引入控制点的变量，进而获得偏置控制线；
步骤4，将离散的过渡截面装配到对应的偏置点上；
步骤5，将入口、出口及过渡截面的坐标放样成型，获得三维弯曲变截面流道。
2.如权利要求1所述的基于几何融合的三维截面弯曲流道设计方法，其特征在于，所述步骤1包括：
步骤11，将入口和出口的中心置于坐标系原点，以坐标系原点为对称中心分别从入口和出口上对应地取多个离散的点；
步骤12，通过几何融合算法获得从入口到出口光滑过渡截面的函数关系式。
3.如权利要求2所述的基于几何融合的三维截面弯曲流道设计方法，其特征在于，所述步骤12中过渡截面fi(zj,yj)满足：
fi(zj,yj)＝(1-ki)·fin(zj,yj)+ki·fout(zj,yj)
其中x为流向坐标，xin为流道入口流线坐标，xout为流道出口流线坐标，fi(zj,yj)代表某一截面坐标函数。
4.如权利要求1所述的基于几何融合的三维截面弯曲流道设计方法，其特征在于，所述步骤2包括：
步骤21，过渡截面fi(zj,yj)的设计面积为A(xi)，将过渡截面进行缩放以满足截面积的变化率要求；
步骤22，假设缩放因子为pi，则设计面积A(xi)满足：
步骤23，通过数值迭代，获得缩放因子pi，进而获得过渡截面fi(pi·zj,pi·yj)；
步骤24，根据过渡截面fi(pi·zj,pi·yj)获得若干离散过渡截面。
5.如权利要求1所述的基于几何融合的三维截面弯曲流道设计方法，其特征在于，所述步骤3包括：
步骤31，在弯曲流道的入口与出口之间沿偏置线的线程设定三个控制点；
步骤32，根据入口的偏置斜率要求获得靠近入口的控制点的纵坐标，根据出口的偏置斜率要求获得靠近出口的控制点纵坐标，位于中间的控制点的横坐标取入口中心到出口中点的横坐标；
步骤33，通过样条曲线确定三个控制点另一方向坐标；
步骤34，由入口中心点、出口中心点及三控制点的坐标，获得偏置控制线。
6.如权利要求3所述的基于几何融合的三维截面弯曲流道设计方法，其特征在于，所述步骤4包括：
步骤41，通过平移使过渡截面的中心位于偏置控制线上；
步骤42，旋转过渡截面使得过渡截面垂直于该处的偏置控制线。
7.如权利要求6所述的基于几何融合的三维截面弯曲流道设计方法，其特征在于，步骤42中，过渡截面i为fi(pi·zj,pi·yj)，将其装配到偏置控制线上任一偏置点(xxi,yyi,zzi)上，获得过渡截面i的坐标
8.一种基于几何融合的三维截面弯曲流道设计系统，其特征在于，包括处理器，以及与所述处理器连接的存储器，所述基于几何融合的三维截面弯曲流道设计程序，所述基于几何融合的三维截面弯曲流道设计程序被所述处理器执行时实现上述权利要求1～7任一项所述方法的步骤。
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