CN111159899B - 反射激波波后双流场参数可控的基本流场及设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种反射激波波后双流场参数可控的基本流场及设计方法,包括如下步骤:1)设计入射激波2及其波后依赖域流场;2)设计等熵压缩段流场和反射激波7;3)设计反射激波7波后依赖域流场;4)设计整流区域流场;5)步骤1)~步骤4)中得到的入射激波波后依赖域流场、等熵压缩段流场和反射激波波后依赖域流场和整流区域流场在空间上依次连接构成了整个内转式进气道的基本流场。本发明能够在给定的入射激波形状下根据给定的反射激波波后任意两种流场参数设计基本流场构型,实现了根据下游流场参数设计基本流场的设计思想,有效提升基本流场和进气道的设计效率。

Description

反射激波波后双流场参数可控的基本流场及设计方法
技术领域
本发明涉及吸气式冲压发动机进气道设计,适用于马赫数大于3的内转式进气道基本流场设计。
背景技术
吸气式高超声速进气系统设计中,内转式进气道的应用越来越广泛。此类进气道由于提升了三维等熵压缩的比重,使得该进气道具有更高的总压恢复系数、更小的外阻,而且进气道长度和重量明显降低。目前内转式进气道大都采用吻切流方法设计:给定捕获截面形状,自捕获截面边界在轴对称的基本流场中发出流面截取进气道初始型面,再对该型面进行粘性修正和横截面过渡得到最终的进气道型面。
基本流场出口截面即为内转式进气道的喉道位置,因此基本流场出口截面气动性能直接决定了进气道喉道截面的气动性能,进而决定着进气道的气动性能。因此,如何设计基本流场,使其出口截面具有较高的气动性能是内转式基本流场设计的一个关键。目前内转式进气道基本流场主要有Busemann流场、截短Busemann流场、拼接形成的ICFC流场、沿程压缩规律可控的基本流场、出口截面流场参数可控的基本流场。这些基本流场中,除前四种流场均需要调节设计参数使基本流场出口截面流场参数满足设计要求。出口截面流场参数可控的基本流场设计方法则可直接根据出口截面流场参数设计基本流场,从而有效提升设计效率。然而目前较为实用的根据出口截面流场参数设计基本流场的方法较少,南航张堃元老师团队方兴军和刘燚提出的设计方法在二元进气道流场设计得到了成功应用。厦门大学韩伟强发展了根据反射激波波后流场参数设计波前流场的基本流场设计方法,但是该方法无法匹配入射激波波后依赖域出口边界流场参数与反射激波波前流场参数之间的联系,仅能验证已经存在的基本流场。西南科技大学乔文友提出了喉道截面速度方向可控的基本流场设计方法虽然在一定程度上可以控制喉道处速度方向,但无法有效控制反射激波波后的流场参数分布,而且仅能控制单一的流场参数分布,设计效果还有提示空间。
根据反射激波波后流场参数分布和喉道流场参数设计基本流场可有效提升内转式进气道的设计效率,然而这种设计思路是目前内转式进气道基本流场设计方法中还未有效解决的问题。根据反射激波波后任意两种流场参数设计基本流场则可进一步提升设计效率,但目前并未有人涉及这方面的研究。因此,有必要对此开展反射激波波后任意两种流场参数可控的基本流场设计方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种反射激波波后双流场参数可控的基本流场设计方法,以便于更加灵活控制基本流场反射激波的波后流场参数分布,提升内转式进气道基本流场的设计效率。
本发明的技术方案如下:
一种反射激波波后双流场参数可控的基本流场设计方法,包括如下步骤:
1)设计入射激波2及其波后依赖域流场;
2)设计等熵压缩段流场和反射激波7;
3)设计反射激波7波后依赖域流场;
4)设计整流区域流场;
5)步骤1)~步骤4)中得到的入射激波波后依赖域流场、等熵压缩段流场和反射激波波后依赖域流场和整流区域流场在空间上依次连接构成了整个内转式进气道的基本流场。
作为优选方式,1)设计入射激波2及其波后依赖域流场主要包括以下步骤:
1)设计入射激波2及其波后依赖域流场主要包括以下步骤:
在已知的来流条件下,根据给定的基本流场入口半径Ri确定入射激波的起始点3,再给定可生成入射激波的边界4的形状或沿程压缩规律,应用特征线法求解入射激波2的形状以及入射激波的波后依赖域流场;其中入射激波与中心体交点O即为唇口点6,给定中心体半径R0,所述入射激波的波后依赖域流场为入射激波2、可生成入射激波的边界4以及入射激波波后依赖域出口边界5围成的区域。
作为优选方式,2)设计等熵压缩段流场和反射激波7包括以下步骤:
2)设计等熵压缩段流场和反射激波7包括以下步骤:
①在唇口点处给定反射激波一个波后流场参数,根据激波关系式确定唇口点处反射激波7的激波角β21,即为唇口点处反射激波与唇口点6处入射激波的波后速度矢量14之间的夹角;所述的一个波后流场参数指压力、马赫数、速度大小、速度方向角、密度或温度中任意一个参数;
②自唇口点处反射激波波后流场参数压力、马赫数、速度大小、速度方向角、密度、温度中任意选取两个作为起始参数,反射激波其余位置处的这两个流场参数的分布规律应确保在唇口点处至少保持1阶连续;将入射激波波后依赖域流场出口边界5离散为一系列点OO1O2…On-1B所代表的边界;
③在步骤②中的两个流场参数中选取其中一个作为给定点C1处激波角β22时调节点C1位置的判定依据,给点C1的激波角β22赋初值β21,此时线段OC1的倾角为(β2122)/2,给定点C1处的一个波前流场参数作为此次迭代自变量,自入射激波波后依赖域流场出口边界5上的点O1发出流线与OC1相交于点C1,根据点C1的位置、激波关系式和流线O1C1上的相容方程确定点C1处反射激波7波前后所有的流场参数,再通过校正步调整点C1的位置,直至前面选定的一个流场参数与点C1处反射激波7的波后同类型的流场参数相等;
④对比点C1处另外一个流场参数与目标分布,调整点C1处的激波角度β22再重复步骤③的计算,直至点C1处的两个流场参数全部满足步骤②给定的分布规律;
⑤通过步骤③和步骤④的计算得到点C1的位置以及点C1处的激波角β22和波前流场参数,根据点C1处反射激波7的波前流场参数计算右行特征线斜率,点C1逆向发出的右行特征线与点O2发出的流线与相交于点C12,通过插值在O2C1连线上确定一点P1,使P1发出的左行特征线刚好经过点C12,应用特征线法求解经过点C12的流线和两条特征线上的相容方程确定点C12的流场参数;然后以点C12和点On-1为起始点,重复此计算过程得到点C1n-2的位置和流场参数;继续迭代直至计算得到边界C1C12…C1n-2B1的形状和流场参数分布,同时得到等熵压缩上边界8上点B1的位置和流场参数;
⑥重复步骤③和步骤④,计算点C12发出流线与反射激波7的交点C2的位置和波前流场参数,再重复步骤⑤计算等熵边界点B2的位置和流场参数,重复此过程的计算直至得到整个等熵压缩边界8BB1B2…Bn-1C的形状和流场参数分布,同时得到反射激波7OC1C2…Cn- 1C的形状和波前流场参数分布;等熵压缩区域流场为入射激波的波后依赖域流场出口边界5OO1O2…On-1B、等熵压缩边界BB1B2…Bn-1C和反射激波7OC1C2…Cn-1C围起来的区域。
作为优选方式,3)设计反射激波的波后依赖域流场主要包括以下步骤:
首先通过激波关系式根据反射激波7的波前流场参数求出除2)步骤②给定的流场参数外其余的流场参数分布,然后应用逆特征线法确定可生成反射激波的边界13,以及反射激波的波后依赖域流场出口边界12,反射激波7、可生成反射激波的边界13和反射激波的波后依赖域流场出口边界12围起来的区域即反射激波的波后依赖域流场。
作为优选方式,4)设计整流区域流场具体步骤如下:
①在反射激波顶点9处设置基本流场出口边界,反射激波顶点9同时也是基本流场出口边界10的顶点,基本流场出口边界10上与反射激波顶点9相邻的待求解点的位置和流场参数使用特征线法确定,自反射激波波后依赖域出口边界12上与反射激波顶点9相邻的点En-1发出流线与基本流场出口边界10相交于点Dn-1,并在边界CEn-1上确定点Dn-1’使点Dn-1’发出的右行特征线经过点Dn-1,根据经过点Dn-1的流线与右行特征线上的相容方程和基本流场出口边界10上的单一流场参数分布联立求解得到点Dn-1上的流场参数;
②连接反射激波波后依赖域出口边界12上与点En-1相邻的点En-2和点Dn-1,自点En-2发出流线与点Dn-1逆向发出的左行特征线相交于点E2n-2,并在边界En-2Dn-1上确定点Q使点Q发出的右行特征线经过点E2n-2,联立经过点E2n-2的流线和两条特征线上的相容方程确定点E2n-2上的流场参数,重复此过程直至确定点E发出的流线EE21
③重复步骤①和步骤②得到使基本流场的出口边界10上有一个流场参数分布与给定规律一致的边界EE21E31…D,边界EE21E31…D即为整流区域下边界11;此处所述的一个流场参数分布为压力、密度、速度大小、速度方向、马赫数、温度中任意一个参数。
为实现上述发明目的,本发明还提供一种上述设计方法得到的反射激波波后双流场参数可控的基本流场。
本发明的有益效果为:本发明在传统基本流场设计方法的基础上进一步拓展了设计方法输入条件给定范围,可以在不限制入射激波形状的前提下,灵活控制反射激波波后两个流场参数的分布规律,可进一步拓展基本流场的设计方法,便于设计人员根据需求定制基本流场,极大提升了基本流场的设计效率。
附图说明
图1基本流场分区结构图;
图2唇口点反射激波角度确定原理图;
图3反射激波上待求解点确定原理图;
图4等熵压缩流场求解特征线网格;
图5反射激波波后依赖域流场;
图6出口截面待求解点特征线网格;
图7出口截面部分流场参数可控整流区流场求解原理。
其中1表示中心体、2为入射激波、3为入射激波起始点、4为可生成入射激波的边界、5为入射激波波后依赖域出口边界、6为唇口点、7为反射激波、8为等熵压缩上边界、9为反射激波顶点、10为基本流场出口边界、11为整流区域下边界、12为反射激波波后依赖域出口边界、13为可生成反射激波的边界、14为唇口点处入射激波波后速度矢量。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式,本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用,本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用,在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
实施例1
一种反射激波波后任意两个流场参数可控的基本流场设计方法,包括如下步骤:
1)设计入射激波2及其波后依赖域流场;
2)设计等熵压缩段流场和反射激波7;
3)设计反射激波7波后依赖域流场;
4)设计整流区域流场;
5)步骤1)~步骤4)中得到的入射激波波后依赖域流场、等熵压缩段流场和反射激波波后依赖域流场和整流区域流场在空间上依次连接构成了整个内转式进气道的基本流场。
实施例2
一种反射激波波后任意两个流场参数可控的基本流场设计方法,包括如下步骤:
1)设计入射激波2及其波后依赖域流场,主要包括以下步骤:
在已知的来流条件下,根据给定的基本流场入口半径Ri确定入射激波的起始点3,再给定可生成入射激波的边界4的形状或沿程压缩规律,应用特征线法求解入射激波2的形状以及入射激波的波后依赖域流场;其中入射激波与中心体交点O即为唇口点6,给定中心体半径R0,所述入射激波的波后依赖域流场为入射激波2、可生成入射激波的边界4以及入射激波波后依赖域出口边界5围成的区域。
2)设计等熵压缩段流场和反射激波7,包括以下步骤:
①如图2,在唇口点6处给定反射激波7一个波后流场参数,根据激波关系式确定唇口点处反射激波7的激波角β21,即为唇口点6处反射激波7与唇口点6处入射激波2的波后速度矢量14之间的夹角;所述的一个波后流场参数指压力、马赫数、速度大小、速度方向角、密度或温度中任意一个参数;
②自唇口点处反射激波波后流场参数压力、马赫数、速度大小、速度方向角、密度、温度中任意选取两个作为起始参数,反射激波其余位置处的这两个流场参数的分布规律应确保在唇口点处至少保持1阶连续;如图3所示,将入射激波波后依赖域流场出口边界5离散为一系列点OO1O2…On-1B所代表的边界;
③如图4所示,在步骤②中的两个流场参数中选取其中一个作为给定点C1处激波角β22时调节点C1位置的判定依据,就是当点C1处激波角β22赋值时点C1的位置便可确定了,因为OC1的倾角为(β2122)/2,这时候点O1发出的流线与OC1相交于点C1。也就是根据点C1处的激波角度β22调节C1的位置。
给点C1的激波角β22赋初值β21,此时线段OC1的倾角为(β2122)/2,给定点C1处的一个波前流场参数作为此次迭代自变量,自入射激波波后依赖域流场出口边界5上的点O1发出流线与OC1相交于点C1,根据点C1的位置、激波关系式和流线O1C1上的相容方程确定点C1处反射激波7波前后所有的流场参数,再通过校正步调整点C1的位置,直至前面选定的一个流场参数与点C1处反射激波7波后同类型的流场参数相等;
④对比点C1处另外一个流场参数与目标分布,调整点C1处的激波角度β22再重复步骤③的计算,直至点C1处的两个流场参数全部满足步骤②给定的分布规律;
⑤如图3,通过步骤③和步骤④的计算得到点C1的位置以及点C1处的激波角β22和波前流场参数,根据点C1处反射激波7的波前流场参数计算右行特征线斜率,点C1逆向发出的右行特征线与点O2发出的流线与相交于点C12,通过插值在O2C1连线上确定一点P1,使P1发出的左行特征线刚好经过点C12,应用特征线法求解经过点C12的流线和两条特征线上的相容方程确定点C12的流场参数;然后以点C12和点On-1为起始点,重复此计算过程得到点C1n-2的位置和流场参数;继续迭代直至计算得到边界C1C12…C1n-2B1的形状和流场参数分布,同时得到等熵压缩上边界8上点B1的位置和流场参数;
⑥重复步骤③和步骤④,计算点C12发出流线与反射激波7的交点C2的位置和波前流场参数,再重复步骤⑤计算等熵边界点B2的位置和流场参数,重复此过程的计算直至得到整个等熵压缩边界8BB1B2…Bn-1C的形状和流场参数分布,同时得到反射激波7OC1C2…Cn- 1C的形状和波前流场参数分布;等熵压缩区域流场为入射激波的波后依赖域流场出口边界5OO1O2…On-1B、等熵压缩边界BB1B2…Bn-1C和反射激波7OC1C2…Cn-1C围起来的区域。n的取值与输入点数有关,在一般的算法说明中一般为默认的输入网格点数。如图2,此处边界OB中的网格点数为n+1个。
3)设计反射激波的波后依赖域流场参数求解如图5所示,主要包括以下步骤:
首先通过激波关系式根据反射激波7的波前流场参数求出除2)步骤②给定的流场参数外其余的流场参数分布,然后应用逆特征线法确定可生成反射激波的边界13,以及反射激波的波后依赖域流场出口边界12,反射激波7、可生成反射激波的边界13和反射激波的波后依赖域流场出口边界12围起来的区域即反射激波的波后依赖域流场。
4)整流区域流场参数求解原理如图6和图7所示,具体步骤如下:
①在反射激波顶点9处设置基本流场出口边界,反射激波顶点9同时也是基本流场出口边界10的顶点,基本流场出口边界10上与反射激波顶点9相邻的待求解点的位置和流场参数使用特征线法确定,自反射激波波后依赖域出口边界12上与反射激波顶点9相邻的点En-1发出流线与基本流场出口边界10相交于点Dn-1,并在边界CEn-1上确定点Dn-1’使点Dn-1’发出的右行特征线经过点Dn-1,根据经过点Dn-1的流线与右行特征线上的相容方程和基本流场出口边界10上的单一流场参数分布联立求解得到点Dn-1上的流场参数;
②连接反射激波波后依赖域出口边界12上与点En-1相邻的点En-2和点Dn-1,自点En-2发出流线与点Dn-1逆向发出的左行特征线相交于点E2n-2,并在边界En-2Dn-1上确定点Q使点Q发出的右行特征线经过点E2n-2,联立经过点E2n-2的流线和两条特征线上的相容方程确定点E2n-2上的流场参数,重复此过程直至确定点E发出的流线EE21
③重复步骤①和步骤②得到使基本流场的出口边界10上有一个流场参数分布与给定规律一致的边界EE21E31…D,边界EE21E31…D即为整流区域下边界11;此处所述的一个流场参数分布为压力、密度、速度大小、速度方向、马赫数、温度中任意一个参数。这个规律是设计者根据设计要求给定的,作为设计方法研究是不能对输入条件进行约束的。只要给定的参数能够生成基本流场均可,没有限制。
5)步骤1)~步骤4)中得到的入射激波波后依赖域流场、等熵压缩段流场和反射激波波后依赖域流场和整流区域流场在空间上依次连接构成了整个内转式进气道的基本流场。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效,而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下,对上述实施例进行修饰或改变。因此,凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变,仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (4)

1.一种反射激波波后双流场参数可控的基本流场设计方法,其特征在于包括如下步骤:
1)设计入射激波(2)及其波后依赖域流场;
2)设计等熵压缩段流场和反射激波(7);
设计等熵压缩段流场和反射激波(7)包括以下步骤:
①在唇口点处给定反射激波一个波后流场参数,根据激波关系式确定唇口点处反射激波(7)的激波角β21,即为唇口点处反射激波与唇口点(6)处入射激波的波后速度矢量(14)之间的夹角;所述的一个波后流场参数指压力、马赫数、速度大小、速度方向角、密度或温度中任意一个参数;
②自唇口点处反射激波波后流场参数压力、马赫数、速度大小、速度方向角、密度、温度中任意选取两个作为起始参数,反射激波其余位置处的这两个流场参数的分布规律应确保在唇口点处至少保持1阶连续;将入射激波波后依赖域流场出口边界(5)离散为一系列点OO1O2…On-1B所代表的边界;
③在步骤②中的两个流场参数中选取其中一个作为给定点C1处激波角β22时调节点C1位置的判定依据,给点C1的激波角β22赋初值β21,此时线段OC1的倾角为(β2122)/2,给定点C1处的一个波前流场参数作为此次迭代自变量,自入射激波波后依赖域流场出口边界(5)上的点O1发出流线与OC1相交于点C1,根据点C1的位置、激波关系式和流线O1C1上的相容方程确定点C1处反射激波(7)波前后所有的流场参数,再通过校正步调整点C1的位置,直至前面选定的一个流场参数与点C1处反射激波(7)的波后同类型的流场参数相等;
④对比点C1处另外一个流场参数与目标分布,调整点C1处的激波角度β22再重复步骤③的计算,直至点C1处的两个流场参数全部满足步骤②给定的分布规律;
⑤通过步骤③和步骤④的计算得到点C1的位置以及点C1处的激波角β22和波前流场参数,根据点C1处反射激波(7)的波前流场参数计算右行特征线斜率,点C1逆向发出的右行特征线与点O2发出的流线与相交于点C12,通过插值在O2C1连线上确定一点P1,使P1发出的左行特征线刚好经过点C12,应用特征线法求解经过点C12的流线和两条特征线上的相容方程确定点C12的流场参数;然后以点C12和点On-1为起始点,重复此计算过程得到点C1n-2的位置和流场参数;继续迭代直至计算得到边界C1C12…C1n-2B1的形状和流场参数分布,同时得到等熵压缩上边界(8)上点B1的位置和流场参数;
⑥重复步骤③和步骤④,计算点C12发出流线与反射激波(7)的交点C2的位置和波前流场参数,再重复步骤⑤计算等熵边界点B2的位置和流场参数,重复此过程的计算直至得到整个等熵压缩边界(8)BB1B2…Bn-1C的形状和流场参数分布,同时得到反射激波(7)OC1C2…Cn-1C的形状和波前流场参数分布;等熵压缩区域流场为入射激波的波后依赖域流场出口边界(5)OO1O2…On-1B、等熵压缩边界BB1B2…Bn-1C和反射激波(7)OC1C2…Cn-1C围起来的区域;
3)设计反射激波(7)波后依赖域流场;
4)设计整流区域流场;
设计整流区域流场具体步骤如下:
①在反射激波顶点(9)处设置基本流场出口边界,反射激波顶点(9)同时也是基本流场出口边界(10)的顶点,基本流场出口边界(10)上与反射激波顶点(9)相邻的待求解点的位置和流场参数使用特征线法确定,自反射激波波后依赖域出口边界(12)上与反射激波顶点(9)相邻的点En-1发出流线与基本流场出口边界(10)相交于点Dn-1,并在边界CEn-1上确定点Dn-1’使点Dn-1’发出的右行特征线经过点Dn-1,根据经过点Dn-1的流线与右行特征线上的相容方程和基本流场出口边界(10)上的单一流场参数分布联立求解得到点Dn-1上的流场参数;
②连接反射激波波后依赖域出口边界(12)上与点En-1相邻的点En-2和点Dn-1,自点En-2发出流线与点Dn-1逆向发出的左行特征线相交于点E2n-2,并在边界En-2Dn-1上确定点Q使点Q发出的右行特征线经过点E2n-2,联立经过点E2n-2的流线和两条特征线上的相容方程确定点E2n-2上的流场参数,重复此过程直至确定点E发出的流线EE21
③重复步骤①和步骤②得到使基本流场的出口边界(10)上有一个流场参数分布与给定规律一致的边界EE21E31…D,边界EE21E31…D即为整流区域下边界(11);此处所述的一个流场参数分布为压力、密度、速度大小、速度方向、马赫数、温度中任意一个参数;
5)步骤1)~步骤4)中得到的入射激波波后依赖域流场、等熵压缩段流场和反射激波波后依赖域流场和整流区域流场在空间上依次连接构成了整个内转式进气道的基本流场。
2.根据权利要求1所述的反射激波波后双流场参数可控的基本流场设计方法,其特征在于:
1)设计入射激波(2)及其波后依赖域流场主要包括以下步骤:
在已知的来流条件下,根据给定的基本流场入口半径Ri确定入射激波的起始点(3),再给定可生成入射激波的边界(4)的形状或沿程压缩规律,应用特征线法求解入射激波(2)的形状以及入射激波的波后依赖域流场;其中入射激波与中心体交点O即为唇口点(6),给定中心体半径R0,所述入射激波的波后依赖域流场为入射激波(2)、可生成入射激波的边界(4)以及入射激波波后依赖域出口边界(5)围成的区域。
3.根据权利要求1所述的反射激波波后双流场参数可控的基本流场设计方法,其特征在于:
3)设计反射激波的波后依赖域流场主要包括以下步骤:
首先通过激波关系式根据反射激波(7)的波前流场参数求出除2)步骤②给定的流场参数外其余的流场参数分布,然后应用逆特征线法确定可生成反射激波的边界(13),以及反射激波的波后依赖域流场出口边界(12),反射激波(7)、可生成反射激波的边界(13)和反射激波的波后依赖域流场出口边界(12)围起来的区域即反射激波的波后依赖域流场。
4.权利要求1至3任意一项设计方法得到的反射激波波后双流场参数可控的基本流场。
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