CN109214061A - 一种超燃冲压发动机隔离段截面渐变优化设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的一种超燃冲压发动机隔离段截面渐变优化设计方法，具体步骤如下：步骤1，根据进气道出口矩形尺寸确定w0、h0，根据隔离段出口尺寸确定R0，根据隔离段长度确定l0；步骤2，以隔离段入口截面的流向位置为原点，在流向l位置的截面，此时该截面的宽度为w，该截面的高度为h，该截面顶板角区的倒圆半径为R1，该截面底板角区的倒圆半径为R2；步骤3，根据进气道出口截面低能流动区域的分布；步骤4，w、h、R1、R2这4个变截面控制变量参数的定量变化过程，根据数值模拟的结果，对某一控制变量的变化规律进行迭代优化。本发明方法解决了现有截面渐变方法中仅仅从数学和几何角度进行了简单截面融合的问题。

Description

一种超燃冲压发动机隔离段截面渐变优化设计方法
技术领域
本发明属于超燃冲压发动机变截面隔离段设计技术领域，具体涉及一种超燃冲压发动机隔离段截面渐变优化设计方法。
背景技术
隔离段是超燃冲压发动机的不可或缺的重要部件，是解决有边界层条件下燃烧室反压极易对进气道工作造成影响这一问题的有效手段。它作为气动和压力缓冲段将高超声速进气道与燃烧室联接起来。对隔离段本身的优化设计以及对隔离段与进气道和燃烧室一体化设计，具有重要工程应用价值。
目前的研究和设计工作主要有以下两个特点：第一，隔离段构型简单。研究对象多为十分简单的矩形等直管道或等直圆管道，这主要是因为当时冲压发动机研究中，通常会将隔离段设计成为这两种简单的几何构型。第二，往往把隔离段当做一个独立部件来看待，没有很好地考虑与进气道和燃烧室的一体化设计。第三，往往只从气动方面考虑设计的优化，没有把进气道机身一体化、燃烧室结构、热载荷、燃烧效率纳入考虑综合权衡。因此，变截面隔离段具有独特的优势，它可以前端对接可模块化布置的二维进气道，充分利用前体预压缩气流；后端对接湿面积较小、承受特定压力和热载荷的所需的结构重量较轻的圆形燃烧室，并能缓解超声速角区流动的影响。
目前变截面管道设计主要针对进气道，主要是利用流线追踪技术与截面融合渐变方法，实现了入口矩形向出口圆形的过渡。其中截面融合渐变过程采用的融合函数尤为关键，主要是对两种不同的形状轮廓进行加权融合，达到渐变的效果。由于隔离段的入口截面就是进气道的出口截面，来流条件为非均匀来流，因此变截面隔离段的设计不能简单地照搬流线追踪和截面融合函数方法。截面渐变过程将造成隔离段底板附近的低能流动区域在底板中心线附近堆积，进而造成隔离段抗反压性能下降，所以在优化设计的过程中应考虑尽量减小这种影响。
发明内容
本发明的目的是提供一种超燃冲压发动机隔离段截面渐变优化设计方法，解决了现有截面渐变方法中仅仅从数学和几何角度进行了简单截面融合的问题。
本发明所采用的技术方案是：一种超燃冲压发动机隔离段截面渐变优化设计方法，具体步骤如下：
步骤1，根据进气道出口矩形尺寸确定w0、h0，根据隔离段出口尺寸确定R0，根据隔离段长度确定l0；其中，w0为隔离段入口截面宽度，h0为隔离段入口截面高度，R0为隔离段出口圆形截面的半径，l0为隔离段的长度；
步骤2，以隔离段入口截面的流向位置为原点，在流向l位置的截面，此时该截面的宽度为w，该截面的高度为h，该截面顶板角区的倒圆半径为R1，该截面底板角区的倒圆半径为R2；因为截面为左右对称，因此可对顶板角区倒圆半径R1和底板角区的倒圆半径为R2的变化规律分开控制；
步骤3，根据进气道出口截面低能流动区域的分布，对宽度w、高度h、顶板角区倒圆半径R1、底板角区倒圆半径R2这4个控制变量沿程变化规律函数一一进行选择；
步骤4，w、h、R1、R2这4个变截面控制变量参数的定量变化过程，被唯一地确定下来，由此可得出整个隔离段的三维型面数据，然后对其根据入口来流条件进行CFD仿真计算，根据数值模拟的结果，对某一控制变量的变化规律进行迭代优化。
本发明的特点还在于：
步骤3中，对宽度w、高度h、顶板角区倒圆半径R1、底板角区倒圆半径R2这4个控制变量沿程变化规律函数一一进行选择的具体方式为：宽度w要从w0减小到R0，高度h要从h0增加到R0，顶板角区倒圆半径R1、底板角区倒圆半径R2都要从0增加到R0，根据需求设计不同的三次变化函数。
三次变化函数为：以进气道出口截面的低能流动区域位于底部，宽度w和高度h选择y＝x的线性变化规律，即全程缓急相当的变化规律，流向l位置截面的宽度w＝w0-(w0-R0)×l/l0，截面的高度h＝h0+(R0-h0)×l/l0。
三次变化函数为：底板角区倒圆半径R2采用前缓后急的变化规律函数y＝x2，即R2＝R0×(l/l0)2。
三次变化函数为：顶板角区倒圆半径R1采用前急后缓的变化规律函数y2＝x，R1＝R0×(l/l0)1/2。
本发明的有益效果是：
(1)针对进气道出口的非均匀来流，可进行参数化截面渐变，各控制变量定量、可控，并且可以根据不同的入口来流条件，对截面渐变过程进行针对性地优化设计；
(2)将横向收缩、纵向扩张、顶板角区倒圆、底板角区倒圆列为截面渐变过程中的4个控制变量，改变了以往单单从转圆这一因素进行考虑的局限；
(3)根据低能流动区域在截面内分布的特点，通过对顶板转圆过程与底板转圆过程的针对性控制，从气动角度将截面渐变对抗反压能力的影响减小到最低程度，解决了现有截面渐变方法中仅仅从数学和几何角度进行了简单截面融合等问题。
附图说明
图1是本发明中超燃冲压发动机隔离段截面渐变过程示意图；
图2是图1的隔离段简化三维示意图；
图3是本发明中以隔离段入口截面流向位置为原点在流向l位置的截面轮廓示意图；
图4是本发明中截面渐变过程的w、h、R1、R2这4个控制变量沿程变化控制规律示意图。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明提供了一种超燃冲压发动机隔离段截面渐变优化设计方法，具体步骤如下：
步骤1，如图1-2所示，根据进气道出口矩形尺寸确定w0、h0，根据隔离段出口尺寸确定R0，根据隔离段长度确定l0；其中，w0为隔离段入口截面宽度，h0为隔离段入口截面高度，R0为隔离段出口圆形截面的半径，l0为隔离段的长度；
步骤2，如图2所示，以隔离段入口截面的流向位置为原点，在流向l位置的截面，此时该截面的宽度为w，该截面的高度为h，该截面顶板角区的倒圆半径为R1，该截面底板角区的倒圆半径为R2；因为截面为左右对称，因此可对顶板角区倒圆半径R1和底板角区的倒圆半径为R2的变化规律分开控制；
其中，l位置的截面是指以矩形截面为起点，沿流向距离该截面l距离的位置，垂直截下去，在隔离段形成的截面；
步骤3，如图4所示，根据进气道出口截面低能流动区域的分布，对w、h、R1、R2这4个控制变量沿程变化规律函数一一进行选择。其中宽度w要从w0减小到R0，高度h要从h0增加到R0，顶板角区倒圆半径R1、底板角区倒圆半径R2都要从0增加到R0，y＝x对应全程缓急相当的线性变化，y＝x2对应前缓后急的变化规律，y2＝x对应前急后缓的变化规律，还可根据需求设计不同的三次变化函数，比如前急中缓后急，以及前缓中急后缓等；
以进气道出口截面的低能流动区域位于底部，接近二维分布状态为例，可选择的参数化优化设计方案为：宽度w和高度h选择y＝x的线性变化规律，即全程缓急相当的变化规律，流向l位置截面的宽度w＝w0-(w0-R0)×l/l0，截面的高度h＝h0+(R0-h0)×l/l0，考虑底板附近低能流动区对抗反压能力的影响，底板角区倒圆半径R2采用前缓后急的变化规律函数，R2＝R0×(l/l0)2,顶板角区倒圆半径R1采用前急后缓的变化规律函数，R1＝R0×(l/l0)1/2。
步骤4，由此，w、h、R1、R2这4个变截面控制变量参数的定量变化过程，被唯一地确定下来，由此可得出整个隔离段的三维型面数据，然后对其根据入口来流条件进行CFD仿真计算，根据数值模拟的结果，对某一控制变量的变化规律进行迭代优化。
图1是超燃冲压发动机隔离段截面渐变过程示意图，其中直观展示了隔离段矩形入口向隔离段圆形出口的截面转变，需要在宽度方向收缩，在高度方向扩张，并在角区沿流向方向逐步倒圆角；
图2给出了隔离段简化三维示意图；
在图1-2中，w0为隔离段入口截面宽度，h0隔离段入口截面高度，R0隔离段出口圆形截面的半径，l0隔离段的长度；
图3是以隔离段入口截面流向位置为原点在流向l位置的截面轮廓示意图，其中w为该截面的宽度，h为该截面的高度，R1为该截面顶板角区的倒圆半径，R2为该截面底板角区的倒圆半径；
图4是截面渐变过程的w、h、R1、R2这4个控制变量沿程变化控制规律示意图，其中v代表w、h、R1、R2这4个控制变量中任一控制变量，由于倒圆半径是从0开始增大的，所以R10＝R20＝0,R10及R20分别表示顶板和底板在隔离段入口的倒圆半径。
本发明的优点为：将横向收缩、纵向扩张、顶板角区倒圆、底板角区倒圆列为截面渐变过程中的4个控制变量，从气动角度将截面渐变对抗反压能力的影响减小到最低程度，解决了现有截面渐变方法中仅仅从数学和几何角度进行了简单截面融合的问题。

Claims (5)

1.一种超燃冲压发动机隔离段截面渐变优化设计方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤1，根据进气道出口矩形尺寸确定w0、h0，根据隔离段出口尺寸确定R0，根据隔离段长度确定l0；其中，w0为隔离段入口截面宽度，h0为隔离段入口截面高度，R0为隔离段出口圆形截面的半径，l0为隔离段的长度；
步骤2，以隔离段入口截面的流向位置为原点，在流向l位置的截面，此时该截面的宽度为w，该截面的高度为h，该截面顶板角区的倒圆半径为R1，该截面底板角区的倒圆半径为R2；因为截面为左右对称，因此可对顶板角区倒圆半径R1和底板角区的倒圆半径为R2的变化规律分开控制；
步骤3，根据进气道出口截面低能流动区域的分布，对宽度w、高度h、顶板角区倒圆半径R1、底板角区倒圆半径R2这4个控制变量沿程变化规律函数一一进行选择；
步骤4，w、h、R1、R2这4个变截面控制变量参数的定量变化过程，被唯一地确定下来，由此可得出整个隔离段的三维型面数据，然后对其根据入口来流条件进行CFD仿真计算，根据数值模拟的结果，对某一控制变量的变化规律进行迭代优化。
2.如权利要求1所述的一种超燃冲压发动机隔离段截面渐变优化设计方法，其特征在于，步骤3中，对宽度w、高度h、顶板角区倒圆半径R1、底板角区倒圆半径R2这4个控制变量沿程变化规律函数一一进行选择的具体方式为：宽度w要从w0减小到R0，高度h要从h0增加到R0，顶板角区倒圆半径R1、底板角区倒圆半径R2都要从0增加到R0，根据需求设计不同的三次变化函数。
3.如权利要求2所述的一种超燃冲压发动机隔离段截面渐变优化设计方法，其特征在于，所述三次变化函数为：以进气道出口截面的低能流动区域位于底部，宽度w和高度h选择y＝x的线性变化规律，即全程缓急相当的变化规律，流向l位置截面的宽度w＝w0-(w0-R0)×l/l0，截面的高度h＝h0+(R0-h0)×l/l0。
4.如权利要求2所述的一种超燃冲压发动机隔离段截面渐变优化设计方法，其特征在于，所述三次变化函数为：底板角区倒圆半径R2采用前缓后急的变化规律函数y＝x2，即R2＝R0×(l/l0)2。
5.如权利要求2所述的一种超燃冲压发动机隔离段截面渐变优化设计方法，其特征在于，所述三次变化函数为：顶板角区倒圆半径R1采用前急后缓的变化规律函数y2＝x，R1＝R0×(l/l0)1/2。
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