CN113701984A - 高超声速风洞扩压器及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高超声速风洞扩压器及其设计方法。该扩压器包括原有扩压器，还包括在安装在原有扩压器内部的、可拆卸的内置扩压器。该扩压器设计方法基于原有扩压器的尺寸和喷管出口尺寸选择内置扩压器的轴向安装距离、收缩角、等直段直径、长径比和扩张角作为设计参数；基于原有扩压器和内置扩压器的构成关系得到三维构型；基于三维构型生成网格，选择最小出口直径的喷管所对应的典型风洞状态进行抗反压效率仿真；采用优化算法调节内置扩压器的设计参数，以提高抗反压效率为目标进行全局迭代寻优。该扩压器结构简单，能够灵活适应高超声速风洞的试验需求。该扩压器设计方法，能够极大的丰富设计样本空间，弥补了单纯依靠经验进行设计的不足。

Description

高超声速风洞扩压器及其设计方法

技术领域

本发明属于高超声速风洞设备领域，具体涉及一种高超声速风洞扩压器及其设计方法。

背景技术

高超声速风洞是支撑高超声速飞行器研制的重要地面设备，扩压器是高超声速风洞重要的组成部分，其作用是对风洞上游的超声速气流进行减速增压，减缓由于风洞下游背压升高对风洞流场的影响，从而延长试验时间。然而，在扩压器内部存在较为复杂的边界层及激波串结构，影响扩压器出口压力与下游真空系统的高压。因此，优化扩压器对提升高超声速风洞的性能和效率具有重要意义。

然而，在高超声速风洞设计过程中，设计人员通常依据以往的风洞调试经验确定扩压器参数，如果扩压器参数不满足风洞启动和运行时间要求，在该扩压器参数的基础上继续调整扩压器参数。目前，还没有针对扩压器性能或者效率指标开展系统性的优化研究。

此外，高超声速技术不断取得突破性的进展，高超声速飞行器的研制对高超声速风洞的模拟高度和速度提出了更高的要求。然而，现有的高超声速风洞，为了降低风洞建设成本、减少设备更换时间、提高运行效率，通常采用多套喷管共用一套扩压器，这就需要对扩压器的尺寸参数进行取舍，保证一套扩压器尽量能够用于多套喷管，并且最适用于常用的某一套喷管，这就导致了一套扩压器无法实现在宽模拟范围内均具备良好的抗反压效率。因此，对于具有较宽模拟范围的高超声速风洞，提升扩压器的抗反压效率成为关键难题之一。

当前，亟需发展一种在宽模拟范围具有高抗反压效率的高超声速风洞扩压器及其设计方法。

发明内容

本发明所要解决的一个技术问题是提供一种高超声速风洞扩压器，本发明所要解决的另一个技术问题是提供一种高超声速风洞扩压器的设计方法。

本发明的高超声速风洞扩压器，其特点是，所述的高超声速风洞扩压器包括高超声速风洞的原有的扩压器，还包括安装在原有的扩压器的等直段内腔的、与扩压器的结构相同的、可拆卸的内置扩压器，内置扩压器与扩压器同轴；

扩压器为轴对称结构，包括从前至后顺序连接的收缩段、等直段和扩张段，扩压器等直段的长度为L1，等直段的直径为D，长径比为L1/D，收缩角为α1，扩张角为β1 ；

内置扩压器也为轴对称结构，包括从前至后顺序连接的收缩段、等直段和扩张段，内置扩压器的全长为L2，等直段长度为L3，内置扩压器的轴向安装距离为ΔL，即收缩段入口距离扩压器等直段的前端面的距离为ΔL，等直段的直径为d，长径比为L3/d，收缩角为α2，扩张角为β2；

（ΔL+L2）≤L1，α2≤α1；收缩段的入口直径与扩张段的出口直径均为D；0.6≤d/D≤0.9。

本发明的高超声速风洞扩压器的设计方法，用于设计高超声速风洞扩压器，包括以下步骤：

a.基于高超声速风洞的扩压器的尺寸，选择内置扩压器（2）几何参数范围：直径d的范围为0.6D≤d≤0.9D，轴向安装距离ΔL的范围为0≤ΔL≤2D，收缩角α2的范围为0.5α1≤α2≤α1，长径比L3/d的范围为5.5≤L3/d≤7.5，扩张角β2的范围为3°≤β2≤12°；

b.采用CAD软件，绘制扩压器和内置扩压器的三维构型；

c.采用pointwise或ICEM软件，根据三维构型生成结构网格，选择高超声速风洞现有的最小出口直径的喷管所对应的典型风洞状态，计算扩压器抗反压效率ξ，获得三维构型的边界层及激波串的马赫数云图；

d.采用优化平台Isight、流体计算软件fluent进行优化设计，优化设计过程中选择内置扩压器的轴向安装距离ΔL、收缩角α2、等直段的直径d、长径比L2/d和扩张角β2中的至少2个进行参数化分析，以提高扩压器抗反压效率为目标进行全局迭代寻优，当迭代量大于等于1000次时优化设计结束。

进一步地，所述的扩压器抗反压效率ξ=s/L3，s为流动分离点到等直段入口的距离，通过步骤c的三维构型的边界层及激波串马赫数云图获得。

本发明的高超声速风洞扩压器及其设计方法，不但增加了扩压器在小直径喷管流场状态下的抗反压效率，还延长了高超声速风洞的运行时间。在高超声速风洞原有的扩压器基础上，仅增加了方便拆卸的内置扩压器，具有结构简单，改造成本低的优点，能够灵活适应高超声速风洞的试验需求。此外，基于扩压器参数化的优化算法，能够极大的丰富设计样本空间，从而获得最优构型，弥补了单纯依靠经验进行设计的不足。

附图说明

图1为本发明的高超声速风洞扩压器的结构示意图；

图2为实施例1的内置扩压器的马赫数云图；

图3为实施例1的内置扩压器抗反压效率的优化历史图；

图4为实施例1的内置扩压器抗反压效率~直径d的散点图；

图5为实施例1的内置扩压器抗反压效率ξ~长径比L3/d的散点图。

图中，1.扩压器；2.内置扩压器；

201.收缩段；202.等直段；203.扩张段。

具体实施方式

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除、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅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前体下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护范围。

实施例1

本实施例的高超声速风洞扩压器应用于某高超声速风洞，该高超声速风洞的马赫数范围为Ma5~Ma10，Ma5~Ma8的喷管出口直径为Ф1.0米，Ma9~Ma10的喷管出口直径为Ф1.2米，Ma5~M10喷管均使用一套扩压器，该扩压器在Ma9~Ma10状态下抗反压效率较高，试验时间大于40s，但是在Ma5~Ma8状态下抗反压效率相对较低，试验时间大约20s~30s，为了提高Ma5~Ma8的试验时间，有必要提升原有的扩压器1的试验能力。

如图1所示，本实施例的高超声速风洞扩压器包括高超声速风洞的原有的扩压器1，还包括安装在原有的扩压器1的等直段内腔的、与扩压器1的结构相同的、可拆卸的内置扩压器2，内置扩压器2与扩压器1同轴；

扩压器1为轴对称结构，包括从前至后顺序连接的收缩段、等直段和扩张段，扩压器1的等直段的长度为L1=8.391米，等直段的直径为D=1.2米，长径比为L1/D=7，扩张角为β1=4.5度 ，收缩段具有两级收缩角，前收缩角为20度，后收缩角8度；

内置扩压器2也为轴对称结构，包括从前至后顺序连接的收缩段201、等直段202和扩张段203，内置扩压器2的全长为L2，等直段202长度为L3，内置扩压器2的轴向安装距离为ΔL，即收缩段201入口距离扩压器1等直段的前端面的距离为ΔL，等直段202的直径为d，长径比为L3/d，收缩角为α2，扩张角为β2；

本实施例的宽模拟范围高抗反压效率的高超声速风洞扩压器的设计方法，包括以下步骤：

a.基于扩压器1的尺寸，选择内置扩压器2的轴向安装距离ΔL=0、全长L2=7.768m、等直段的直径d=0.9米、长径比L3/d=6.5、收缩角α2=8度、扩张角β2=10度；

即ΔL+L2=7.768米、d/D=0.75；满足（ΔL+L2）≤L1，α2≤α1；收缩段201的入口直径与扩张段203的出口直径均为D；0.6≤d/D≤0.9。

b.采用CAD软件，绘制扩压器1和内置扩压器2的三维构型；

c.采用pointwise软件，根据三维构型生成结构网格，选择高超声速风洞现有的最小出口直径的喷管所对应的典型风洞状态，计算扩压器抗反压效率ξ，获得三维构型的边界层及激波串的马赫数云图；典型风洞状态是气流总压为5MPa、总温为740K、马赫数为8，并且设定扩压器出口的反压条件为25000Pa；

d.采用优化平台Isight、流体计算软件fluent进行优化设计，优化设计过程中，保持内置扩压器2的轴向安装距离ΔL=0、收缩角α2=8°、扩张角β2=10°不变，选择等直段的直径d范围为0.75m~1.05m、长径比L2/d范围为5.5~7.5进行参数化分析，以提高扩压器抗反压效率为目标进行全局迭代寻优，迭代量为1000次结束。

按照s为流动分离点到等直段202入口的距离，扩压器抗反压效率为ξ=s/L3进行迭代寻优，获得1000个样本，图2为迭代寻优过程中获得的7个代表性方案的马赫数云图，横坐标X表示距离扩压器入口的轴向距离，各方案的几何参数见表1。

图3~图5是优化设计结果。其中，图3的横坐标为迭代次数，纵坐标表示扩压器的抗反压效率。图4和图5的横坐标分别表示内置扩压器的直径和长径比，纵坐标均为扩压器的抗反压效率。优化结果表明，样本空间中最大扩压效率和最小扩压效率相差50%。对于提高风洞运行效率和节约风洞运行成本具有重要价值。

当使用M5~M8的喷管时，在扩压器1内安装内置扩压器2，当需要使用更大出口直径的M9~M10的喷管，拆除内置扩压器2，使用原有的扩压器1。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的构思下，利用本发明说明书及附图内置扩压器所作的等效结构变换，或者直接/间接运用在掐相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (3)

1.一种高超声速风洞扩压器，其特征在于，所述的高超声速风洞扩压器包括高超声速风洞的原有的扩压器（1），还包括安装在原有的扩压器（1）的等直段内腔的、与扩压器（1）的结构相同的、可拆卸的内置扩压器（2），内置扩压器（2）与扩压器（1）同轴；

扩压器（1）为轴对称结构，包括从前至后顺序连接的收缩段、等直段和扩张段，扩压器（1）等直段的长度为L1，等直段的直径为D，长径比为L1/D，收缩角为α1，扩张角为β1 ；

内置扩压器（2）也为轴对称结构，包括从前至后顺序连接的收缩段（201）、等直段（202）和扩张段（203），内置扩压器（2）的全长为L2，等直段（202）长度为L3，内置扩压器（2）的轴向安装距离为ΔL，即收缩段（201）入口距离扩压器（1）等直段的前端面的距离为ΔL，等直段（202）的直径为d，长径比为L3/d，收缩角为α2，扩张角为β2；

（ΔL+L2）≤L1，α2≤α1；收缩段（201）的入口直径与扩张段（203）的出口直径均为D；0.6≤d/D≤0.9。

2.一种高超声速风洞扩压器的设计方法，用于设计权利要求1所述的高超声速风洞扩压器，其特征在于，包括以下步骤：

a.基于高超声速风洞的扩压器（1）的尺寸，选择内置扩压器（2）几何参数范围：直径d的范围为0.6D≤d≤0.9D，轴向安装距离ΔL的范围为0≤ΔL≤2D，收缩角α2的范围为0.5α1≤α2≤α1，长径比L3/d的范围为5.5≤L3/d≤7.5，扩张角β2的范围为3°≤β2≤12°；

b.采用CAD软件，绘制扩压器（1）和内置扩压器（2）的三维构型；

c.采用pointwise或ICEM软件，根据三维构型生成结构网格，选择高超声速风洞现有的最小出口直径的喷管所对应的典型风洞状态，计算扩压器抗反压效率ξ，获得三维构型的边界层及激波串的马赫数云图；

d.采用优化平台Isight、流体计算软件fluent进行优化设计，优化设计过程中选择内置扩压器（2）的轴向安装距离ΔL、收缩角α2、等直段的直径d、长径比L2/d和扩张角β2中的至少2个进行参数化分析，以提高扩压器抗反压效率为目标进行全局迭代寻优，当迭代量大于等于1000次时优化设计结束。

3.根据权利要求2所述的高超声速风洞扩压器的设计方法，其特征在于，所述的扩压器抗反压效率ξ=s/L3，s为流动分离点到等直段（202）入口的距离，通过步骤c的三维构型的边界层及激波串马赫数云图获得。

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