CN109186928A - 电弧风洞半椭圆喷管的优化方法 - Google Patents

电弧风洞半椭圆喷管的优化方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种电弧风洞半椭圆喷管的优化方法。所述优化方法包括采用数值模拟方法求解当前半椭圆喷管内部以及所述试验段的高焓流动控制方程，获得当前半椭圆喷管内部和试验段的高焓流场参数，以及平板模型表面的热流分布，将所述平板模型表面的热流分布与预设判定准则中相应阈值进行比较，根据比较结果对当前半椭圆喷管进行优化，再进行上述迭代计算，直到满足所述预设判定准则中相应阈值，获得优化后的喷管型面。本发明方法是在现有试验条件下获得尽可能满足局部高热流区试验需求的电弧风洞喷管型面的有效途径。

Description

电弧风洞半椭圆喷管的优化方法
技术领域
本发明涉及电弧风洞喷管技术领域，尤其涉及一种电弧风洞半椭圆喷管的优化方法。
背景技术
随着临近空间飞行器研制技术的发展，新型飞行器外形日趋复杂，这些飞行器在设定状态下飞行时表面会出现局部高热流区，这对飞行器表面的热防护系统提出了极高要求。
电弧风洞作为飞行器局部高热流区地面试验必不可少的设备，面临着如何实现模型表面局部高热流模拟的难题。对于电弧风洞内局部高热流模拟，一方面要求热流达到预定的数值，另一方面还要满足热流能达到一定面积的均匀区。目前，电弧风洞使用半椭圆喷管来拓宽热流试验均匀区，它能使电弧加热器产生的热气流被更有效地利用，提高能量利用率。在半椭圆喷管出口的直边上密接一平板试验模型，并使该平板试验模型以一定攻角放置，能进一步提高热气流的能量利用率，并提高平板试验模型的表面热流。但是半椭圆喷管出口与平板试验模型直接相交会导致边角局部部位流场分布不均匀，热流分布在宽度方向的均匀区变小；同时由于半椭圆喷管的短半轴较小，还会导致平板试验模型表面沿流线方向的热流均匀区较小。
因此，针对以上不足，需要对所述半椭圆喷管型面进行优化设计，一方面满足开展相应试验所需的热流值要求，另一方面增大试验段平板模型表面热流在宽度方向和流线方向的均匀区面积。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有电弧风洞半椭圆喷管出口直边与试验段平板模型直接相交造成局部流场分布不够均匀，并且流线方向热流均匀区较小的问题，提供一种电弧风洞半椭圆喷管的优化方法。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种电弧风洞半椭圆喷管的优化方法，待优化的初始半椭圆喷管型面入口为圆形，入口与喉道之间为自然过渡段，喉道与出口之间扩张段的横截面为底边为平边的半椭圆，并且扩张段的横截面积由喉道至出口逐渐增大；其中所述自然过渡段和扩张段均为待优化段；喷管出口底边连接平板模型，平板模型处于试验段；所述优化方法包括：
采用数值模拟方法求解当前半椭圆喷管内部以及所述试验段的高焓流动控制方程，获得当前半椭圆喷管内部和试验段的高焓流场参数，以及平板模型表面的热流分布，将所述平板模型表面的热流分布与预设判定准则中相应阈值进行比较，根据比较结果对当前半椭圆喷管进行优化，再进行上述迭代计算，直到满足所述预设判定准则中相应阈值，获得优化后的喷管型面。
在根据本发明所述的电弧风洞半椭圆喷管的优化方法中，所述高焓流动控制方程为考虑热化学非平衡效应的流动控制方程；在三维笛卡尔坐标系下，多组分双温度高焓流动控制方程为：
式中Q为控制方程守恒变量；E为X轴方向的无粘通量，F为Y轴方向的无粘通量，G为Z轴方向的无粘通量；x为三维笛卡尔坐标系下X轴方向的几何坐标，y为三维笛卡尔坐标系下Y轴方向的几何坐标，z为三维笛卡尔坐标系下Z轴方向的几何坐标；Ev为X轴方向的粘性通量，Fv为Y轴方向的粘性通量，Gv为Z轴方向的粘性通量；t为时间；S为控制方程的非平衡源项；
采用数值模拟方法求解所述流动控制方程获得高焓流场参数以及平板模型表面的热流分布；其中所述高焓流场参数包括半椭圆喷管内部以及试验段的流场压力、平动转动温度、振动温度、密度及气体组分质量分数。
在根据本发明所述的电弧风洞半椭圆喷管的优化方法中，所述数值模拟方法包括双温度多组分气体高焓流动计算方法，具体为：
根据当前半椭圆喷管和平板模型的几何尺寸生成空间离散网格，在空间离散网格上采用有限体积法对所述流动控制方程进行离散，在每一个空间离散网格上求解所述高焓流动控制方程中的无粘通量、粘性通量以及非平衡源项；
再基于所述无粘通量、粘性通量以及非平衡源项构造代数方程，确定代数方程的边界条件和初始条件，通过LU-SGS隐式方法迭代更新高焓流场参数及热流分布，直到收敛获得方程定常解。
在根据本发明所述的电弧风洞半椭圆喷管的优化方法中，所述预设判定准则中相应阈值通过试验的方法确定或根据经验确定。
在根据本发明所述的电弧风洞半椭圆喷管的优化方法中，所述根据比较结果对当前半椭圆喷管进行优化包括：根据比较结果确定优化方向，再根据优化方向调整当前半椭圆喷管的型面。
在根据本发明所述的电弧风洞半椭圆喷管的优化方法中，所述优化方向包括对扩张段长度的调整：
在平板模型表面热流均匀区的热流分布与预设阈值的偏差超过预设阈值20％的情况下，若平板模型表面热流均匀区的热流分布大于预设阈值，则延长扩张段50mm；若平板模型表面热流均匀区的热流分布小于预设阈值，则缩短扩张段50mm；
在平板模型表面热流均匀区的热流分布与预设阈值的偏差小于或等于预设阈值20％的情况下，若平板模型表面热流均匀区的热流分布大于预设阈值，则延长扩张段20mm；若平板模型表面热流均匀区的热流分布小于预设阈值，则缩短扩张段20mm。
在根据本发明所述的电弧风洞半椭圆喷管的优化方法中，所述优化方向还包括：
根据平板模型表面的热流分布改变扩张段及出口形状。
在根据本发明所述的电弧风洞半椭圆喷管的优化方法中，若平板模型表面宽度方向的热流分布均匀性不满足预设均匀性的要求，则改变扩张段横截面及出口形状为矩形。
在根据本发明所述的电弧风洞半椭圆喷管的优化方法中，所述矩形顶边对应的两个角设置倒角，出口处倒角半径的调整范围为50mm-20mm，优化过程中由大到小调整。
在根据本发明所述的电弧风洞半椭圆喷管的优化方法中，若平板模型表面流向方向的热流分布均匀性不满足预设均匀性的要求，将矩形出口的长宽比在2.5：1-4：1的范围内调整。
实施本发明的电弧风洞半椭圆喷管的优化方法，具有以下有益效果：本发明给出了现有半椭圆喷管的优化途径，它采用数值模拟方法对电弧风洞高焓非平衡流场进行模拟，并建立合理的判定准则对模拟结果进行判定，获得喷管的优化方向，然后根据判定结果结合优化方向逐步调整半椭圆喷管型面，获得满足试验段平板模型表面流场数值和均匀性分布要求的优化后的喷管。
本发明优化后的喷管能改善喷管与试验段平板模型相交造成的流场分布不均，并能按照需求的热流场均匀区面积调整喷管型面以满足预期要求。本发明方法是在现有试验条件下获得尽可能满足局部高热流区试验需求的电弧风洞喷管型面的有效途径。
附图说明
图1为根据本发明的电弧风洞半椭圆喷管的优化方法的示例性流程图；
图2是初始半椭圆喷管的示例性示意图；
图3是经过本发明方法优化后的喷管的示例性示意图；
图4是经过本发明方法优化后的喷管的示例性示意图；图4在图3的基础上包括喷管内部的轮廓线条。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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做出创造性劳动的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。
本发明提供了一种电弧风洞半椭圆喷管的优化方法，待优化的初始半椭圆喷管型面如图2所示，入口为圆形，入口与喉道之间为自然过渡段，喉道与出口之间扩张段的横截面为底边为平边的半椭圆，并且扩张段的横截面积由喉道至出口逐渐增大；其中所述自然过渡段和扩张段均为待优化段；喷管出口底边连接平板模型，平板模型处于试验段；再结合图1所示，所述优化方法包括：
本发明方法开始于步骤110；在步骤120中，采用数值模拟方法求解当前半椭圆喷管内部以及所述试验段的高焓流动控制方程，获得当前半椭圆喷管内部和试验段的高焓流场参数，以及平板模型表面的热流分布；在步骤130中，将所述平板模型表面的热流分布与预设判定准则中相应阈值进行比较；在步骤140中，根据比较结果对当前半椭圆喷管进行优化，再进行上述迭代计算，直到满足所述预设判定准则中相应阈值，获得优化后的喷管型面。
本发明方法通过一个循环迭代的过程来逐渐逼近喷管的最优设计结果，对每一次的优化结果通过预设判定准则进行判断，确定喷管是否已满足设计要求。
所述试验段平板模型的尺寸根据考核目标和设备条件确定，一般由加工模型确定，原则是在现有加工模型的基础上，选择加工成本相对较低的尺寸作为平板试验模型的尺寸。试验段平板模型尺寸的选择同时受风洞试验段的尺寸限制，要求在试验过程中方便安装并能进行测量。
所述预设判定准则要能够体现出，在达到指定热流数值的情况下，满足一定长宽面积的均匀性条件，并在该均匀性区域内热流变化不超过一定范围。例如可以为：设定均匀区大小不低于150mm×150mm，且在该均匀区内热流达1MW/m2，整个均匀区内热流相差不超过20％。
进一步，所述高焓流动控制方程为考虑热化学非平衡效应的流动控制方程；在三维笛卡尔坐标系下，多组分双温度高焓流动控制方程为：
式中Q为控制方程守恒变量；E为X轴方向的无粘通量，F为Y轴方向的无粘通量，G为Z轴方向的无粘通量；x为三维笛卡尔坐标系下X轴方向的几何坐标，y为三维笛卡尔坐标系下Y轴方向的几何坐标，z为三维笛卡尔坐标系下Z轴方向的几何坐标；Ev为X轴方向的粘性通量，Fv为Y轴方向的粘性通量，Gv为Z轴方向的粘性通量；t为时间；S为控制方程的非平衡源项；
采用数值模拟方法求解所述流动控制方程获得高焓流场参数以及平板模型表面的热流分布；其中所述高焓流场参数包括半椭圆喷管内部以及试验段的流场压力、平动转动温度、振动温度、密度及气体组分质量分数。在采用数值模拟方法求解方程的过程中，分别获得当前半椭圆喷管内部的高焓流场参数、试验段的高焓流场参数以及试验段平板模型表面的热流分布。获得的一系列高焓流场参数可以通过相应软件显示成连续分布的图片。
所述高焓流场参数以及试验段平板模型表面热流分布的求解过程中，以风洞试验条件下驻室参数、喷管内壁以及试验段平板模型的表面温度、平板模型材料的特性作为已知值进行求解。
进一步，所述数值模拟方法包括双温度多组分气体高焓流动计算方法，具体为：
根据当前半椭圆喷管和平板模型的几何尺寸生成空间离散网格，在空间离散网格上采用有限体积法对所述流动控制方程进行离散，在每一个空间离散网格上求解所述高焓流动控制方程中的无粘通量、粘性通量以及非平衡源项；
再基于所述无粘通量、粘性通量以及非平衡源项构造代数方程，确定代数方程的边界条件和初始条件，通过LU-SGS隐式方法迭代更新高焓流场参数及热流分布，直到收敛获得不再随时间变化的方程定常解。
所述LU-SGS隐式方法中“LU-SGS”的英文全称为Lower-Upper Symmetric Gauss-Seidel，它是求解离散流动控制方程的一种隐式方法，可译为“自下而上的对称高斯-赛德尔”隐式方法。
所述数值模拟方法的模拟状态需要覆盖现有设备能力的最高焓值和压力。
进一步，所述预设判定准则中相应阈值通过试验的方法确定或根据经验确定。预设判定准则的设定至少要满足试验段平板模型试验参数的最低要求。
再进一步，所述根据比较结果对当前半椭圆喷管进行优化包括：根据比较结果确定优化方向，再根据优化方向调整当前半椭圆喷管的型面。
对半椭圆喷管的优化包括对其扩张段长短的调整和横截面形状的调整。作为示例，所述优化方向包括对扩张段长度的调整：
在平板模型表面热流均匀区的热流分布与预设阈值的偏差超过预设阈值20％的情况下，若平板模型表面热流均匀区的热流分布大于预设阈值，则延长扩张段50mm；若平板模型表面热流均匀区的热流分布小于预设阈值，则缩短扩张段50mm；
在平板模型表面热流均匀区的热流分布与预设阈值的偏差小于或等于预设阈值20％的情况下，若平板模型表面热流均匀区的热流分布大于预设阈值，则延长扩张段20mm；若平板模型表面热流均匀区的热流分布小于预设阈值，则缩短扩张段20mm。
由于平板模型表面的热流不是均一的恒定值，因此在比较热流分布状态时，需要选定一个均匀区，使该均匀区内具有较为均匀的热流分布，并以该均匀区相对均衡的热流值作为平板模型表面的热流值。作为示例，在实际操作中，可以按如下方式确定选定均匀区的热流值：沿喷管出口流线方向，选择与喷管出口相距80mm，并位于平板模型宽度方向中心位置处的热流作为选定均匀区的热流值。
所述预设判定准则中根据风洞试验需要，由试验件的考核需求来确定需要达到的均匀面面积。以20％为调整界限，是根据经验或试验方法确定的。在优化过程中，热流过大可能造成均匀区无法保证，所以要同时保证均匀区，需先按设定阈值进行优化。
本实施方式中对扩张段长度的调整是在喷管喉道和出口尺寸不变的条件下进行的，当扩张段长度改变后，其扩张角自然随之变化，从而导致试验段平板模型表面的热流分布发生变化。
当所述扩张段尺寸的调整无法满足欲达到的热流分布状态时，还可以进一步调整由喉道直至出口的形状。
例如：所述优化方向还包括：
根据平板模型表面的热流分布改变扩张段及出口形状。
所述热流分布数值可以是试验段平板模型表面上一定长宽范围内的热流数值，可以通过热流分布数值获得热流均匀区面积的大小。
作为示例，若平板模型表面宽度方向的热流分布均匀性不满足预设均匀性的要求，则改变扩张段横截面及出口形状为矩形。
作为示例，所述矩形顶边对应的两个角设置倒角，出口处倒角半径的调整范围为50mm-20mm，优化过程中由大到小调整。将初始半椭圆喷管的半椭圆形扩张段调整为带倒角的矩形，能使试验段平板模型在宽度方向的均匀性更好。
由于在输入条件相同以及扩张段长度不变的情况下，出口面积越小，获得的热流整体会更大，所以从面积小的形状朝着面积大的形状调整，可能会出现满足均匀性后热流分布数值又降低的情况，再按上述扩张段的调整手段进行相应调整即可。最后可达到试验段平板模型表面的热流分布在预定数值的面积不低于指定的长度和宽度。
作为示例，若平板模型表面流向方向的热流分布均匀性不满足预设均匀性的要求，将矩形出口的长宽比在2.5：1-4：1的范围内调整。矩形出口的长宽比调整后也会同样出现满足均匀性后热流分布数值又降低的情况，同样需要再结合扩张段的调整手段进行相应调整。
作为示例，将图2所示的初始半椭圆喷管按本发明上述方法调整后，可以优化形成图3及图4所示的型面形状。
在优化过程中，由于喷管的上游是圆形出口，故喷管的入口形状对应为圆形；喷管出口需要和平板连接，且要保证均匀性，故自喉道开始下游底面都为平面；喉道形状可根据优化结果选择半椭圆或者带倒角的矩形；在喷管入口到喉道之间自然过渡成形，可通过制图软件完成。
综上所述，本发明方法根据数值模拟获得的优化结果来改变喷管的型面特征，如果试验段平板模型的热流分布整体偏低，则可以缩短喷管长度或增加扩张角；如果宽度方向均匀性不够，则改变出口形状、喉道形状以及倒角半径；如果流向方向均匀性不够，则改变出口长短半轴比或长宽比；上述手段配合使用，可以获得满足需求的最终喷管形状。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种电弧风洞半椭圆喷管的优化方法，其特征在于，待优化的初始半椭圆喷管型面入口为圆形，入口与喉道之间为自然过渡段，喉道与出口之间扩张段的横截面为底边为平边的半椭圆，并且扩张段的横截面积由喉道至出口逐渐增大；其中所述自然过渡段和扩张段均为待优化段；喷管出口底边连接平板模型，平板模型处于试验段；所述优化方法包括：
采用数值模拟方法求解当前半椭圆喷管内部以及所述试验段的高焓流动控制方程，获得当前半椭圆喷管内部和试验段的高焓流场参数，以及平板模型表面的热流分布，将所述平板模型表面的热流分布与预设判定准则中相应阈值进行比较，根据比较结果对当前半椭圆喷管进行优化，再进行上述迭代计算，直到满足所述预设判定准则中相应阈值，获得优化后的喷管型面。
2.根据权利要求1所述的电弧风洞半椭圆喷管的优化方法，其特征在于：所述高焓流动控制方程为考虑热化学非平衡效应的流动控制方程；在三维笛卡尔坐标系下，多组分双温度高焓流动控制方程为：
式中Q为控制方程守恒变量；E为X轴方向的无粘通量，F为Y轴方向的无粘通量，G为Z轴方向的无粘通量；x为三维笛卡尔坐标系下X轴方向的几何坐标，y为三维笛卡尔坐标系下Y轴方向的几何坐标，z为三维笛卡尔坐标系下Z轴方向的几何坐标；Ev为X轴方向的粘性通量，Fv为Y轴方向的粘性通量，Gv为Z轴方向的粘性通量；t为时间；S为控制方程的非平衡源项；
采用数值模拟方法求解所述流动控制方程获得高焓流场参数以及平板模型表面的热流分布；其中所述高焓流场参数包括半椭圆喷管内部以及试验段的流场压力、平动转动温度、振动温度、密度及气体组分质量分数。
3.根据权利要求2所述的电弧风洞半椭圆喷管的优化方法，其特征在于：所述数值模拟方法包括双温度多组分气体高焓流动计算方法，具体为：
根据当前半椭圆喷管和平板模型的几何尺寸生成空间离散网格，在空间离散网格上采用有限体积法对所述流动控制方程进行离散，在每一个空间离散网格上求解所述高焓流动控制方程中的无粘通量、粘性通量以及非平衡源项；
再基于所述无粘通量、粘性通量以及非平衡源项构造代数方程，确定代数方程的边界条件和初始条件，通过LU-SGS隐式方法迭代更新高焓流场参数及热流分布，直到收敛获得方程定常解。
4.根据权利要求3所述的电弧风洞半椭圆喷管的优化方法，其特征在于：所述预设判定准则中相应阈值通过试验的方法确定或根据经验确定。
5.根据权利要求4所述的电弧风洞半椭圆喷管的优化方法，其特征在于：所述根据比较结果对当前半椭圆喷管进行优化包括：根据比较结果确定优化方向，再根据优化方向调整当前半椭圆喷管的型面。
6.根据权利要求5所述的电弧风洞半椭圆喷管的优化方法，其特征在于：所述优化方向包括对扩张段长度的调整：
在平板模型表面热流均匀区的热流分布与预设阈值的偏差超过预设阈值20％的情况下，若平板模型表面热流均匀区的热流分布大于预设阈值，则延长扩张段50mm；若平板模型表面热流均匀区的热流分布小于预设阈值，则缩短扩张段50mm；
在平板模型表面热流均匀区的热流分布与预设阈值的偏差小于或等于预设阈值20％的情况下，若平板模型表面热流均匀区的热流分布大于预设阈值，则延长扩张段20mm；若平板模型表面热流均匀区的热流分布小于预设阈值，则缩短扩张段20mm。
7.根据权利要求6所述的电弧风洞半椭圆喷管的优化方法，其特征在于：所述优化方向还包括：
根据平板模型表面的热流分布改变扩张段及出口形状。
8.根据权利要求7所述的电弧风洞半椭圆喷管的优化方法，其特征在于：若平板模型表面宽度方向的热流分布均匀性不满足预设均匀性的要求，则改变扩张段横截面及出口形状为矩形。
9.根据权利要求8所述的电弧风洞半椭圆喷管的优化方法，其特征在于：所述矩形顶边对应的两个角设置倒角，出口处倒角半径的调整范围为50mm-20mm，优化过程中由大到小调整。
10.根据权利要求9所述的电弧风洞半椭圆喷管的优化方法，其特征在于：若平板模型表面流向方向的热流分布均匀性不满足预设均匀性的要求，将矩形出口的长宽比在2.5：1-4：1的范围内调整。
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