CN111062097B - 一种自适应高焓型面喷管的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自适应高焓型面喷管的设计方法，属于高焓激波风洞试验领域。本发明采用分段设计、整体装配的思路生成喷管型面，针对高焓流动中经历的热化学平衡、热化学非平衡流动和冻结流动的三个过程，分别设计由收缩段、喉道和无黏膨胀段组成的各部分曲线，然后缝合成光滑无黏曲线，再对光滑无黏曲线进行边界层修正，对生成的高焓型面喷管完整曲线进行数值验证后完成高焓型面喷管的型线设计。该方法不仅仅显著提高喷管型线优化效率，节约计算成本；同时有效抑制高焓喷管厚边界层所引起的流动畸变，以及非设计状态下的喷管流动流场扰动。

Description

一种自适应高焓型面喷管的设计方法

技术领域

本发明涉及自适应高焓型面喷管的设计方法，属于高焓激波风洞试验领域。

背景技术

高焓激波风洞是研究高温真实气体效应主要的地面模拟设备之一，具备模拟超高速流动的能力。高温高压条件下，喷管驻室试验气体发生离解甚至电离，试验气体流过喷管时，流动现象非常复杂，经历喉道上游的热化学平衡流动、喉道附近的热化学非平衡流动和喉道下游的冻结流动等三个过程。常规特征线设计的喷管，没有考虑试验气体化学反应的影响，没有考虑比热比γ的变化，使得气流流过喷管发生流动畸变。如果采用直接设计方法，任务量大，计算成本高，在非设计状态喷管流场扰动严重。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种自适应高焓型面喷管的设计方法，提高高焓喷管的模拟范围和能力。

为解决上述技术问题，本发明公开了一种自适应高焓型面喷管的设计方法，所述高焓型面喷管由收缩段、喉道和无黏膨胀段组成，包括如下步骤：

(1)首先建立坐标系，然后根据高焓激波风洞尺寸和模拟条件，确定喷管驻室总温和总压驻室条件，以确定高焓型面喷管的入口尺寸、喉道尺寸和出口尺寸；

(2)根据喉道尺寸和喷管的最大膨胀角θ，设计一个锥形喷管；

(3)设计形成初始收缩段曲线；

(4)根据喷管驻室总温和总压驻室条件，经过数值计算，确定喷管流动过程中冻结点的位置和比热比γ；

(5)设计形成初始无黏膨胀段曲线；

(6)连接初始收缩段曲线和初始无黏膨胀段曲线，进行边界层修正后，生成初始的高焓型面喷管完整曲线；

(7)对步骤(6)生成的初始的高焓型面喷管完整曲线进行数值验证后，完成高焓型面喷管的型线设计。

上述本发明的这种自适应高焓型面喷管的设计方法中，所述无黏膨胀段由三部分组成，第一段TA为三次曲线或者圆弧曲线，第二段AB为圆锥曲线，第三段BC为消波段曲线。

上述本发明的这种自适应高焓型面喷管的设计方法中，所述步骤(2)中，最大膨胀角θ角度一般为5°～15°。

上述本发明的这种自适应高焓型面喷管的设计方法中，所述步骤(2)中，所述的锥形喷管的第一段和第二段均与高焓型面喷管相同，锥形喷管第三段为圆锥曲线，与第二段斜率相同。

上述本发明的这种自适应高焓型面喷管的设计方法中，所述步骤(2)中，所述的锥形喷管的第一段为圆弧曲线或者三次曲线。

上述本发明的这种自适应高焓型面喷管的设计方法中，所述步骤(2)中，所述的锥形喷管的第一段为三次曲线，段任一点可由下列式(a)三次曲线确定：

上述本发明的这种自适应高焓型面喷管的设计方法中，所述步骤(3)中，所述初始收缩段曲线MT为“凹”曲线，曲线的二阶导数不小于0，可为直线加圆弧构型，或者采用圆锥曲线和圆弧连接构型，或者为圆弧构型。

上述本发明的这种自适应高焓型面喷管的设计方法中，所述步骤(3)中，初始收缩段曲线MT采用圆锥曲线和圆弧连接方式，生成收缩段MT曲线，圆锥的半锥角为35°～45°，根据实际情况此角度范围可以适当扩展，圆弧的半径与喉道下游的半径相同。

上述本发明的这种自适应高焓型面喷管的设计方法中，所述步骤(4)中，数值计算采用多组分多温度气体模型，气体的平动温度和振动温度及电子温度需要分别计算，同时计算多组分的比热比γ。

上述本发明的这种自适应高焓型面喷管的设计方法中，所述步骤(4)中，冻结点F的参数由振动温度确定，判断标准为振动温度不再发生变化。

上述本发明的这种自适应高焓型面喷管的设计方法中，所述步骤(4)中，冻结点F位于所述的无黏膨胀段中第二段AB曲线上，角度一般为5°～15°，根据实际情况此角度范围可以适当扩展。

上述本发明的这种自适应高焓型面喷管的设计方法中，所述步骤(5)中，包括以下步骤：

根据B点高度和冻结点F点的关系式为y_B＝(1.8～2.5)y_F，确定B点参数；

根据普朗特迈耶角和最大膨胀角的关系，确定位于源流区域的BE曲线的参数；

多项式曲线ED满足一阶导数连续，二阶导数小于0，根据BE曲线和ED曲线，利用特征线方法，确定BC曲线参数，特征线方程如下式(b)：

式中x为xoy坐标系的x轴；y为xoy坐标系的y轴；

连接TA、AB和BC形成光滑曲线TC，再通过边界层修正后形成无黏膨胀段曲线TC。

上述本发明的这种自适应高焓型面喷管的设计方法中，所述步骤(7)中，所述数值验证方法为：

如果喷管出口马赫数均方根偏差、轴向马赫数梯度和气流偏转角等参数不满足国军标先进指标，则重新选择最大膨胀角θ和B点坐标，重新开始步骤(2)到步骤(6)，进行迭代；

如果喷管出口参数满足国军标先进指标，则迭代终止，完成高焓型面喷管的型线设计。

对于高焓激波风洞，喷管驻室总温和总压高，试验气体发生离解甚至电离。试验气体流过型面喷管时，经历喉道上游的热化学平衡、喉道附近的热化学非平衡和喉道下游的冻结流动等三个过程，流动现象非常复杂。本发明基于高焓喷管流场的流动特性和面临的具体工程问题，采用分段设计、整体装配的思路生成喷管型面。

本发明针对高焓流动中经历的热化学平衡、热化学非平衡流动和冻结流动的三个过程，分别设计各部分曲线，最后缝合成光滑曲线。热化学平衡区域采用直线加圆弧曲线或者圆弧曲线等二阶导数不小于0的曲线；热化学非平衡区域采用圆弧曲线；通过限定冻结点在喷管膨胀段圆锥曲线内，使得消波区域的气体组分参数和比热比基本保持不变，从而通过特征线法设计消波区域曲线。本发明基于高焓喷管流场的流动特性和面临的具体工程问题，采用分段设计、整体装配的思路生成喷管型面。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

发明所述的自适应高焓型面喷管的构型能够满足工程需要，显著提高喷管型线优化效率，节约计算成本，同时有效抑制高焓喷管厚边界层所引起的流动畸变，以及非设计状态下的喷管流场扰动。

附图说明

图1为本发明实施例中一种自适应高焓型面喷管设计方法的方案示意图；

图中标识如下：1-热化学平衡流动区域；2-热化学非平衡流动区域；3-冻结流动区域。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明公共的实施方式作进一步详细描述。

本发明实施例中的这种自适应高焓型面喷管设计方法，高焓型面喷管由收缩段、喉道和无黏膨胀段TC组成，无黏膨胀段TC由三部分组成，TA段为三次曲线或者圆弧曲线，AB段为圆锥曲线，BC段为消波段曲线。参见图1所示，具体的设计过程主要包括如下步骤：

步骤1：建立坐标系：

坐标系建立的方法是：以轴线O点为坐标原点，O点处x＝0，x轴正方向为沿轴向指向出口端方向，y轴正方向为竖直向上；

步骤2：根据高焓激波风洞尺寸和模拟条件，考虑试验气体化学反应的影响，在平衡状态下，确定喷管驻室总温和总压驻室条件，以确定高焓型面喷管的入口尺寸y_M、喉道尺寸y_T和出口尺寸y_C；

步骤3：根据喉道尺寸和喷管的最大膨胀角θ，设计一个锥形喷管：

最大膨胀角θ与圆锥曲线AB段角度相同，角度一般为5°～15°，根据实际情况此角度范围可以适当扩展。

所述的锥形喷管的TA段和AB段与高焓型面喷管相同，与高焓型面喷管不同的是锥形喷管没有消波段，锥形喷管BC段也为圆锥曲线，与AB段斜率相同。

其中，TA可以为圆弧曲线，或者可以为三次曲线。

如果TA为三次曲线，则TA段任一点可由下列三次曲线确定：

步骤4：设计初始收缩段MT曲线：

MT曲线为“凹”曲线，曲线的二阶导数不小于0，可为直线MP加圆弧PT构型，或者采用圆锥曲线和圆弧连接方式，或者直接为圆弧MT构型。

如果采用圆锥曲线和圆弧连接方式，圆锥的半锥角为35°～45°，并且可以根据实际情况此角度范围可以适当扩展。圆弧的半径与喉道T点下游的半径相同。

步骤5：根据喷管驻室总温和总压驻室条件，经过数值计算，确定喷管流动过程中冻结点的位置和比热比γ：

数值计算采用多组分多温度气体模型，气体的平动温度T_t和振动温度T_v及电子温度T_e需要分别计算，同时计算多组分的比热比γ。

冻结点F的参数由振动温度T_v确定，判断标准为振动温度T_v不再发生变化。冻结点位于所述的AB段，角度一般为5°～15°，根据实际情况此角度范围可以适当扩展。

步骤6：确定B点参数：

B点高度和冻结点F点的关系为y_B＝(1.8～2.5)y_F，根据实际情况此范围可以适当扩展。

步骤7：确定BE曲线参数：

BE曲线位于源流区域，根据普朗特迈耶角和最大膨胀角的关系，能够确定BE曲线的参数。

步骤8：确定高焓型面喷管消波曲线BC段：

多项式曲线ED满足一阶导数连续，二阶导数小于0；根据BE曲线和ED曲线，利用特征线方法，确定BC曲线。

具体讲，特征线方程如下：

式中x为xoy坐标系的x轴；y为xoy坐标系的y轴。

步骤9：连接TA、AB和BC，缝合成无黏光滑曲线TC，然后通过边界层修正，最后形成无黏膨胀段TC的物理型线。

步骤10：采用的圆锥曲线和圆弧或者直接圆弧曲线的连接方式，连接生成最终的收缩段MT曲线。

该最终的MT曲线生成方法与步骤4设计方法相同。

步骤11：连接步骤9生成的无黏膨胀段TC曲线和步骤10生成的收缩段MT曲线，生成初始的高焓型面喷管完整曲线。

步骤12：对步骤11生成的初始的高焓型面喷管完整曲线进行数值验证：

如果喷管出口马赫数均方根偏差、轴向马赫数梯度和气流偏转角等参数不满足国军标的先进指标，则需要重新选择最大膨胀角θ和B点坐标，重新开始步骤3到步骤11，进行迭代；

如果喷管出口参数满足国军标的先进指标，则迭代终止，从而完成高焓型面喷管的型线设计。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (11)

1.一种自适应高焓型面喷管的设计方法，所述高焓型面喷管由收缩段、喉道和无黏膨胀段组成，其特征在于，包括如下步骤：

(1)建立坐标系，根据高焓激波风洞尺寸和模拟条件，确定喷管驻室总温和总压驻室条件，以确定高焓型面喷管的入口尺寸、喉道尺寸和出口尺寸；

(2)根据喉道尺寸和喷管的最大膨胀角θ，设计一个锥形喷管；

(3)设计形成初始收缩段曲线；

(4)根据喷管驻室总温和总压驻室条件，经过数值计算，确定喷管流动过程中冻结点的位置和比热比γ；

(5)设计形成初始无黏膨胀段曲线；

所述无黏膨胀段由三部分组成，第一段TA为三次曲线或者圆弧曲线，第二段AB为圆锥曲线，第三段BC为消波段曲线；

根据B点高度和冻结点F点的关系式为y_B＝(1.8～2.5)y_F，确定B点参数；

根据普朗特迈耶角和最大膨胀角的关系，确定位于源流区域的BE曲线的参数；

多项式曲线ED满足一阶导数连续，二阶导数小于0，根据BE曲线和ED曲线，利用特征线方法，确定BC曲线参数，所述特征线方程如下式(b)：

式(b)中，x为xoy坐标系的x轴；y为xoy坐标系的y轴；

连接TA、AB和BC形成光滑曲线TC，再通过边界层修正后形成无黏膨胀段曲线TC；

(6)连接初始收缩段曲线和初始无黏膨胀段曲线，进行边界层修正后，生成初始的高焓型面喷管完整曲线；

(7)对步骤(6)生成的初始的高焓型面喷管完整曲线进行数值验证后，完成高焓型面喷管的型线设计。

2.根据权利要求1所述的自适应高焓型面喷管的设计方法，其特征在于，步骤(2)中，所述最大膨胀角θ角度为5°～15°。

3.根据权利要求1所述的自适应高焓型面喷管的设计方法，其特征在于，步骤(2)中，所述锥形喷管的第一段和第二段均与高焓型面喷管相同，锥形喷管第三段为圆锥曲线，与第二段斜率相同。

4.根据权利要求1所述的自适应高焓型面喷管的设计方法，其特征在于，步骤(2)中，所述的锥形喷管的第一段为圆弧曲线或者三次曲线。

5.根据权利要求1所述的自适应高焓型面喷管的设计方法，其特征在于，步骤(2)中，所述的锥形喷管的第一段为三次曲线，段任一点可由下列式(a)三次曲线确定：

6.根据权利要求1所述的自适应高焓型面喷管的设计方法，其特征在于，步骤(3)中，所述初始收缩段曲线MT为“凹”曲线，曲线的二阶导数不小于0，采用直线加圆弧构型，或者采用圆锥曲线和圆弧连接构型，或者采用圆弧构型。

7.根据权利要求1所述的自适应高焓型面喷管的设计方法，其特征在于，步骤(3)中，初始收缩段曲线MT采用圆锥曲线和圆弧连接构型，圆锥的半锥角为35°～45°，圆弧的半径与喉道下游的半径相同。

8.根据权利要求1所述的自适应高焓型面喷管的设计方法，其特征在于，步骤(4)中，所述的数值计算采用多组分多温度气体模型，气体的平动温度和振动温度及电子温度需要分别计算，同时计算多组分的比热比γ。

9.根据权利要求1所述的自适应高焓型面喷管的设计方法，其特征在于，步骤(4)中，所述的冻结点F的参数由振动温度确定，判断标准为振动温度不再发生变化。

10.根据权利要求1所述的自适应高焓型面喷管的设计方法，其特征在于，步骤(4)中，冻结点F位于所述的无黏膨胀段中第二段AB曲线上，角度为5°～15°。

11.根据权利要求1所述的自适应高焓型面喷管的设计方法，其特征在于，步骤(7)中，所述数值验证方法为：

如果喷管出口马赫数均方根偏差、轴向马赫数梯度和气流偏转角参数不满足国军标先进指标，则重新选择最大膨胀角θ和B点坐标，重新开始步骤(2)到步骤(6)，进行迭代；

如果喷管出口参数满足国军标先进指标，则迭代终止，完成高焓型面喷管的型线设计。