CN113326587B - 一种延伸段壁面压力分布可控的双钟形喷管及其设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种延伸段壁面压力分布可控的双钟形喷管及其设计方法，避免了采用现有流动控制手段对双钟形喷管工作模态转换进行控制而带来的复杂结构和附加重量，具有结构简单、重量小、性能高、可靠性高等优点。本发明设计的双钟形喷管包括收缩段和双钟形扩张段，双钟形扩张段又包括基础段型面和延伸段型面。基础段采用Rao氏最大推力型面设计，延伸段壁面压力分布可控，保证双钟形喷管具有快速的模态转换过程，有效抑制此过程产生的侧向载荷。一种延伸段壁面压力分布可控的双钟形喷管及其设计方法由型面转折控制区、延伸段压力分布、延伸段壁面单元点、延伸段型面点及型面转折角等的设计组成，保证了型面设计的可行性。

Description

一种延伸段壁面压力分布可控的双钟形喷管及其设计方法
技术领域
本发明涉及火箭发动机技术领域，具体涉及一种延伸段壁面压力分布可控的双钟形喷管及其设计方法。
背景技术
喷管作为火箭发动机主要产生推力的重要组件之一，其工作性能的高低直接影响到发动机推力的大小。对于当前火箭发动机常用的固定面积比轴对称喷管而言，其在低空的过膨胀状态下易产生流动分离现象，而流动分离往往非对称，给喷管带来有害的侧向载荷，危及喷管结构和火箭入轨精度。工程设计中常采用限制喷管面积比的方式避免过膨胀状态下的流动分离现象，但这同时也制约了发动机性能的发挥。
双钟形喷管作为一种结构简单、技术难度相对较小的高度补偿喷管，能够通过控制分离流动以使喷管拥有较大的面积比，进而提高发动机性能。双钟形喷管扩张段分为基础段和延伸段型面，二者之间为型面转折点。型面转折的存在，使得双钟形喷管能够对大面积比喷管产生的分离流动进行有效控制。在低空状态下，气流被迫分离在型面转折点，避免了非对称分离的出现，从而有效抑制了不利的侧向载荷。此时基础段喷管工作在满流状态下，而延伸段喷管处于分离状态。在高空状态下，基础段和延伸段喷管均工作在满流状态下，充分利用了喷管面积比，进而大幅提升了发动机性能。
尽管双钟形喷管具有上述优点，但其也存在低空分离工作模态向高空满流工作模态转换过程中侧向载荷较大的缺点。模态转换中存在的侧向载荷降低了发动机的工作可靠性，成为双钟形喷管走向工程应用的一大难题。采取射流等流动控制手段能够对双钟形喷管工作模态的转换进行控制，降低此过程中的侧向载荷，提高发动机工作可靠性，但却需要额外气源和管路，造成发动机结构、重量的增加。在此背景下，如何通过双钟形喷管延伸段型面自身的设计有效抑制工作模态转换过程中的侧向载荷，成为双钟形喷管设计中的关键问题。
发明内容
本发明提供了一种延伸段壁面压力分布可控的双钟形喷管及其设计方法，通过设计等压分布或等逆压梯度分布的延伸段，能够保证模态转换过程更加迅捷，有效避免了转换过程中分离点在延伸段型面上的脉动，进而避免了出现严重的侧向载荷，保证双钟形喷管在获得高性能的同时，兼具较高的可靠性。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种延伸段壁面压力分布可控的双钟形喷管设计方法，包括以下步骤：
步骤一、根据设计要求，确定要设计的延伸段壁面压力分布可控的双钟形喷管的喷管基础段2长度Lb、喷管延伸段3的长度Le、喷管基础段2的面积比ε1和喷管延伸段3的面积比ε2；
步骤二、计算型面转折控制区10气流参数；
步骤2.1、预先给定型面转折角15为数值α，并将其离散。以喷管基础段2出口最后一条右行特征线9做为喷管延伸段3设计的起始特征线，通过普朗特-梅耶膨胀波关系式计算喷管扩张段型面转折点4的参数：
Figure BDA0003127218760000021
其中ν为普朗特-梅耶角，Ma为马赫数，γ为气流比热比；
步骤2.2、利用步骤2.1得到的喷管扩张段型面转折点4的参数，采用特征线法计算型面转折控制区10气流参数并得到型面转折点后的压力值；
步骤三、计算延伸段壁面压力分布8；
以喷管扩张段型面转折点4后的压力值为基准，给定延伸段壁面压力分布8的分布，并根据绝热等熵关系式计算出相应的速度分布；
所述延伸段壁面压力分布8为等压分布或等逆压梯度分布；
步骤四、计算延伸段壁面单元点11的坐标和速度方向；
步骤4.1、在已知壁面单元点11的x轴坐标及速度大小V后，计算壁面单元点11的y坐标；
Figure BDA0003127218760000031
其中，θ为气流速度方向与x轴的夹角；
步骤4.2、壁面单元点11的速度方向；
Figure BDA0003127218760000032
Figure BDA0003127218760000033
其中，λ为特征线斜率，μ为气流马赫角，符号“±”在左行特征线时取“+”、在右行特征线时取“-”；
步骤五、计算延伸段型面点；以计算出的上一个壁面单元点发出的右行特征线为基础，重复步骤四，计算所有喷管延伸段3型面点以及延伸段特征线网13，喷管延伸段3的长度Le处；
步骤六、迭代求解满足设计面积比的延伸段型面转折角15；
根据以上步骤得到喷管延伸段出口半径及喷管延伸段面积比，判断此面积比与设计喷管延伸段面积比ε2的误差；如误差较大，则改变型面转折角(15)大小，重复步骤一至五的计算过程，至得到的喷管延伸段面积比与设计喷管延伸段面积比ε2间的误差满足要求；
此时型面转折角15对应的延伸段型面即为最终所求的壁面压力分布8可控的喷管延伸段3型面，并输出型面坐标。
本发明还提供了一种延伸段壁面压力分布可控的双钟形喷管，包括喷管收缩段1和双钟形扩张段，其特殊之处在于：
所述的双钟形扩张段包括喷管基础段2和喷管延伸段3；
所述喷管收缩段1、喷管基础段2和喷管延伸段3依次连接固定。
进一步地，所述喷管基础段2采用经典Rao氏最大推力喷管型面，用于保证发动机能够获得最大的地面推力；
所述喷管延伸段3的壁面压力分布8可控，用于保证喷管在具有高性能的同时具有较高的可靠性。
进一步地，所述喷管基础段2的喷管型面面积比满足在地面状态时，喷管基础段内不出现明显的流动分离；
所述喷管基础段2的长度是等面积比锥形喷管长度的70～80％；
所述喷管延伸段3的长度是喷管基础段2的长度的80％～120％。
进一步地，所述喷管延伸段3上的每个延伸段壁面单元点11的坐标及速度方向满足以下关系：
延伸段壁面单元点11的坐标满足公式：
Figure BDA0003127218760000041
其中，θ为气流速度方向与x轴的夹角；
延伸段壁面单元点11的速度方向满足公式：
Figure BDA0003127218760000051
Figure BDA0003127218760000052
其中，λ为特征线斜率，μ为气流马赫角，符号“±”在左行特征线时取“+”、在右行特征线时取“-”。
进一步地，所述延伸段壁面压力分布8为等压分布或等逆压梯度分布。
据上述技术方案可知，与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1.能够对双钟形喷管工作模态转换过程进行有效控制，抑制了的侧向载荷产生，在不明显损失双钟形喷管高度补偿能力的前提下，显著提高了喷管的工作可靠性。
2.采用特定压力分布型面的控制手段对双钟形喷管工作模态转换过程进行控制，避免了射流等复杂流动控制手段带来额外的结构和重量，具有结构简单、效果显著等优点。
3.该双钟形喷管延伸段型面设计方法外延性强，能够通过壁面压力分布的优化，设计兼顾性能和可靠两个维度的双钟形喷管延伸段型面。
附图说明
图1为本发明提供的一种延伸段壁面压力分布可控的双钟形喷管整体结构示意图；
图2为本发明提供的一种延伸段壁面压力分布可控的双钟形喷管型面设计示意图；
图3为发明提供的一种延伸段壁面压力分布可控的双钟形喷管延伸段壁面单元点求解示意图；
图4为本发明提供的一种延伸段壁面压力分布可控的双钟形喷管型面设计流程图；
图5为采用本发明提供的设计方法得到型面的无粘仿真壁面压力分布。
1-喷管收缩段，2-喷管基础段，3-喷管延伸段，4-扩张段型面转折点，
5-喷管喉道截面，6-喷管基础段出口截面，7-喷管延伸段出口截面，8-壁面压力分布，9-延伸段起始特征线，10-型面转折控制区，11-延伸段壁面单元点，12-延伸段右行特征线，13-延伸段特征线网，14-喷管出口壁面点，15-型面转折角，CP-等压分布的延伸段型面，PP-等逆压梯度分布的延伸段型面。
具体实施方式
为更加清晰、直观地说明本发明涉及的技术方案，下面将结合具体的实施例对本发明提出的设计方法进行完整、清晰的描述。
需要说明的，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不应该视为对本发明的限制。基于本发明的设计方法，普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均在本发明保护范围内。
本发明实施例公开了一种延伸段壁面压力分布可控的双钟形喷管，其延伸段为等压分布或等逆压梯度分布，如图1所示，包括：喷管收缩段1和双钟形扩张段，所述的双钟形扩张段包括喷管基础段2和壁面压力分布8可控的喷管延伸段3，喷管收缩段1、喷管基础段2和喷管延伸段3依次连接固定。喷管延伸段3的壁面压力分布8可控，以保证喷管在具有高性能的同时具有较高的可靠性。
喷管收缩段1与喷管基础段2连接处截面为喷管喉道截面5，喷管基础段2和喷管延伸段3连接处为喷管扩张段型面转折点4，连接处截面为喷管基础段出口截面6，喷管延伸段3的出口截面为整个喷管出口截面7。
下面对本发明实施例公开的延伸段等压分布或等逆压梯度分布的双钟形喷管，最主要的特点是双钟形喷管的设计满足设计方法中的的要求，尤其是喷管延伸段3的设计计算方法，喷管延伸段3每个延伸段壁面单元点11的坐标及速度方向满足以下关系：
延伸段壁面单元点11的坐标满足公式：
Figure BDA0003127218760000071
其中，θ为气流速度方向与x轴的夹角；
延伸段壁面单元点11的速度方向满足公式：
Figure BDA0003127218760000072
Figure BDA0003127218760000073
其中，λ为特征线斜率，μ为气流马赫角，符号“±”在左行特征线时取“+”、在右行特征线时取“-”。
下面对本发明实施例公开的延伸段等压分布或等逆压梯度分布的双钟形喷管的设计方法进行阐述，如图2-图4所示，喷管基础段2采用经典的Rao氏最大推力喷管型面设计，保证发动机能够获得最大的地面推力。喷管基础段2的面积比ε1的设计应保证在地面状态时，喷管基础段内不出现明显的流动分离，喷管基础段2的长度Lb为70～80％的等面积比锥形喷管长度。喷管延伸段3的面积比ε2根据发动机实际工作过程而定，喷管延伸段3的长度Le，Le＝0.8～1.2Lb。喷管延伸段型面为等压分布或等逆压梯度分布，以保证双钟形喷管能够进行快速的模态转换过程。
双钟形喷管型面转折控制区10气流参数的计算。如图2所示，预先给定型面转折角α＝15°，并将其离散。以喷管基础段2型面发出的最后一条右行特征线为型面转折控制区起始特征线9，采用如式(1)所示的普朗特-梅耶膨胀波关系式计算型面转折点处的气流参数，并采用特征线法计算型面转折控制区的气流参数。
Figure BDA0003127218760000081
式中ν为普朗特-梅耶角，Ma为马赫数，γ为气流比热比。
双钟形喷管延伸段壁面压力分布8的计算。以型面转折区后的转折点压力pw,e(Lb)为基准，等压分布的延伸段各点压力值pw,e(x)＝pw,e(Lb)，等逆压梯度分布的延伸段各点压力值如式(2)所示，并通过绝热等熵关系式计算得到相应的速度分布。
Figure BDA0003127218760000082
式中pw,e(x)为延伸段壁面压力分布，pc为燃烧室压力，Lb、Le分别为喷管基础段、延伸段长度，k为压升系数，一般取k＝0.0005-0.0015为佳。
双钟形喷管延伸段壁面单元点11的设计方法。在待解壁面单元点的x坐标和速度大小V已知的情况下，由式(3)所示的流线方程求解得到壁面单元点11的y坐标。联立式(4)所示的特征线方程及式(5)所示的其相容关系得到壁面单元点11的速度方向，而后求出此点发出的右行特征线12。
Figure BDA0003127218760000083
Figure BDA0003127218760000084
Figure BDA0003127218760000091
式中θ为气流速度方向与x轴的夹角，λ为特征线斜率，μ为气流马赫角，符号“±”在左行特征线时取“+”、在右行特征线时取“_”。
双钟形喷管延伸段3型面点的计算。以上一个壁面点发出的右行特征线为基础，重复使用上述壁面单元点的计算方法，求出所有延伸段型面点及其发出的右行特征线，并得到延伸段出口半径Re'及延伸段面积比ε2'。
双钟形喷管型面转折角15的计算。若得到的延伸段面积比ε2'与设计延伸段面积比ε2误差较大，则可通过二分法或割线法等迭代方式改变型面转折角α，重复上述求解型面转折控制区、延伸段型面点等计算过程，直至得到的延伸段面积比ε2'与设计面积比ε2间的误差满足要求。此时的型面转折角α即为所欲设计的双钟形喷管型面转折角，所对应的延伸段型面即为所欲设计的双钟形喷管延伸段型面，而后输出喷管型面坐标。
图5为本发明设计得到的基础段面积比ε1＝30和延伸段面积比ε2＝100、以及基础段面积比ε1＝50和延伸段面积比ε2＝130的双钟形喷管的壁面压力无粘仿真结果，其延伸段型面为等压分布和等逆压梯度分布。从图中可以看出，本发明提出的设计方法能够有效控制延伸段型面的压力分布，充分实现了设计目的。

Claims (2)

1.一种延伸段壁面压力分布可控的双钟形喷管设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、根据设计要求，确定要设计的延伸段壁面压力分布可控的双钟形喷管的喷管基础段(2)长度Lb、喷管延伸段(3)的长度Le、喷管基础段(2)的面积比ε1和喷管延伸段(3)的面积比ε2；
步骤二、计算型面转折控制区(10)气流参数；
步骤2.1、预先给定型面转折角(15)α一数值，并将其离散；以喷管基础段(2)出口最后一条右行特征线(9)做为喷管延伸段(3)设计的起始特征线，通过普朗特-梅耶膨胀波关系式计算喷管扩张段型面转折点(4)的参数：
Figure FDA0004027527740000011
其中ν为普朗特-梅耶角，Ma为马赫数，γ为气流比热比；
步骤2.2、利用步骤2.1得到的喷管扩张段型面转折点(4)的参数，采用特征线法计算型面转折控制区(10)气流参数并得到型面转折点后的压力值；
步骤三、计算延伸段壁面压力分布(8)；
以喷管扩张段型面转折点(4)后的压力值为基准，给定延伸段壁面压力分布(8)的分布，并根据绝热等熵关系式计算出相应的速度分布；
所述延伸段壁面压力分布(8)为等压分布或等逆压梯度分布；
步骤四、计算延伸段壁面单元点(11)的坐标和速度方向；
步骤4.1、在已知壁面单元点(11)的x轴坐标及速度大小V后，计算壁面单元点(11)的y坐标；
Figure FDA0004027527740000021
其中，θ为气流速度方向与x轴的夹角；
步骤4.2、计算壁面单元点(11)的速度方向；
Figure FDA0004027527740000022
Figure FDA0004027527740000023
其中，λ为特征线斜率，μ为气流马赫角，符号“±”在左行特征线时取“+”、在右行特征线时取“-”；
步骤五、计算延伸段型面点；以计算出的上一个壁面单元点发出的右行特征线为基础，重复步骤四，计算所有喷管延伸段(3)型面点以及延伸段特征线网(13)，直至喷管延伸段(3)的长度Le处；
步骤六、迭代求解满足设计喷管延伸段面积比ε2的延伸段型面转折角(15)；
根据以上步骤得到喷管延伸段(3)的出口半径及喷管延伸段面积比，判断此面积比与设计喷管延伸段面积比ε2的误差；如误差较大，则改变型面转折角(15)大小，重复步骤一至五的计算过程，至得到的喷管延伸段面积比与设计喷管延伸段面积比ε2间的误差满足要求；
此时型面转折角(15)对应的延伸段型面即为最终所求的壁面压力分布(8)可控的喷管延伸段(3)型面，并输出型面坐标。
2.根据权利要求1所述的延伸段壁面压力分布可控的双钟形喷管设计方法，其特征在于，步骤一中：
所述喷管基础段(2)的长度是等面积比锥形喷管长度的70～80％；
所述喷管延伸段(3)的长度是喷管基础段(2)的长度的80％～120％；
所述喷管基础段(2)的喷管型面面积比满足在地面状态时，喷管基础段内不出现明显的流动分离。
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