CN116729637B - 一种变马赫数变激波角轴导吻切流场乘波体设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种变马赫数变激波角轴导吻切流场乘波体设计方法，属于高超声速飞行器的气动外形设计技术领域。包括：S1.给定设计参数，设计参数包括马赫数变化范围、激波角变化范围，每个吻切面内设计马赫数和激波角沿展向方向的规律；S2.给定基本型线和吻切面内的曲激波型线；S3.求解吻切平面内曲锥基准流场，获得吻切平面内乘波体下表面流线；S4.获得变马赫数变激波角轴导吻切流场乘波体，基于上表面基本型线和曲激波型线、吻切平面内乘波体下表面流线和乘波体底面共同组成变马赫数变激波角轴导吻切流场乘波体。本发明拓展了乘波设计的变量空间，解决乘波体展向设计空间和应用范围低，气动性能不理想的问题。
Description
技术领域
本申请涉及乘波体设计方法，尤其涉及一种变马赫数变激波角轴导吻切流场乘波体设计方法，属于高超声速飞行器的气动外形设计技术领域。
背景技术
高马赫数飞行器气动布局设计技术是高马赫数技术领域主要的研究方向之一。高超声速飞行时激波强度和飞行器的波阻极大，造成常规外形飞行器的升阻比性能显著下降，出现了升阻比屏障问题，而乘波飞行器设计能很好地解决这一问题。乘波体高超声速飞行时激波贴体，就像飞行器骑乘在激波波面上。基于前缘贴体激波的压缩原理，乘波体下表面具有较高的表面压力，进而上下表面形成较大的压差，使乘波飞行器具有很好的气动性能。
然而现有乘波设计存在以下问题：
1、现有宽速域乘波体展向设计空间和应用范围低，无法根据需求进行自由匹配设计，例如变马赫锥导吻切流场乘波体和变激波角锥导吻切流场乘波体展向变化参数单一，不是多参数耦合，并且只考虑展向变化，未关注流向变化，吻切平面内皆为直激波型线；
2、设计之初，需要给出飞行高度、设计马赫数、激波角等参数作为输入条件气动外形与设计输入参数存在单一对应关系，即一组输入参数设计唯一的乘波体气动外形。实际飞行过程是一个跨空域、跨速域的过程。现有宽速域乘波体飞行器例如变马赫锥导吻切流场乘波体和变激波角锥导吻切流场乘波体在宽速域范围内气动性能未得到明显的改善。
发明内容
在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。
鉴于此，为解决上述至少一种技术问题，本发明提供一种变马赫数变激波角轴导吻切流场乘波体设计方法，本发明变马赫数变激波角轴导吻切流场乘波体相比于现有宽速域乘波体例如变马赫锥导吻切流场乘波体和变激波角锥导吻切流场乘波体，其展向是多参数耦合可变且不同吻切平面内不同的弯曲激波型线导致流场参数沿流向可变，大大的提升了乘波设计的实用性，更加面向工程化。本发明变马赫数变激波角轴导吻切流场乘波体相比于现有宽速域乘波体例如变马赫锥导吻切流场乘波体和变激波角锥导吻切流场乘波体，宽速域气动性提升更明显，升阻比远高于现有的宽速域乘波体。
方案一、一种变马赫数变激波角轴导吻切流场乘波体设计方法，包括以下步骤：
S1.给定设计参数，设计参数包括马赫数变化范围、激波角变化范围，每个吻切平面内设计马赫数和激波角沿展向方向的规律；
S2.给定基本型线和吻切平面内的曲激波型线；
S3.求解吻切平面内曲锥基准流场，获得吻切平面内乘波体下表面流线；
S4.获得变马赫数变激波角轴导吻切流场乘波体，基于上表面基本型线和曲激波型线、吻切平面内乘波体下表面流线和乘波体底面共同组成变马赫数变激波角轴导吻切流场乘波体。
优选的，马赫数变化范围为Ma6-Ma10，激波角变化范围为14-13，每个吻切平面内设计马赫数和激波角沿展向方向的规律为贝塞尔曲线。
优选的，基本型线包括激波底部型线和乘波体上表面底部型线，设计每个吻切平面内不同的曲激波型线；
将乘波体上表面底部型线设计为二次曲线，激波底部型线设计为直线型线和指数型线组合，中间部分设计为直线，外缘部分设计为指数函数。
优选的，求解吻切平面内曲锥基准流场，获得吻切平面内乘波体下表面流线的方法是：在乘波体底部平面上，对激波底部型线进行离散获得离散点，由离散点中的任意点获得过离散点的曲率圆和圆心坐标，截短参考锥和截短吻切激波的轴线都过圆心,激波底部离散点和曲率圆圆心的连线与给定乘波体上表面底部型线相交，在吻切平面内由交点做平行于参考锥轴线的直线与直激波相交，交点表征吻切平面内乘波体前缘点，再由吻切平面内乘波体前缘点出发，采用逆特征线流向追踪方法获得吻切平面内乘波体下表面流线。
优选的，获得变马赫数变激波角轴导吻切流场乘波体的方法是：连接每个吻切平面内求解得到吻切平面内乘波体下表面后缘点，得到下表面底部型线，所有下表面型线放样生成乘波体下表面，上下表面底部型线封闭得到乘波底面。
方案二、一种电子设备，包括存储器和处理器，存储器存储有计算机程序，所述的处理器执行所述计算机程序时实现方案一所述的一种变马赫数变激波角轴导吻切流场乘波体设计方法的步骤。
方案三、一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现方案一所述的一种变马赫数变激波角轴导吻切流场乘波体设计方法。
本发明的有益效果如下：本发明关键在于新型乘波体展向每个吻切流场的初始马赫数和激波角均不同，按一定的规律同时改变，使其在宽马赫数范围内均有部分下表面处于设计点而完全乘波，同时可以更合理自由的分布容积。每个吻切平面内前缘曲激波型线均不同，导致流场参数沿流向可变，并结合展向多参数可变以此实现展向与流向参数同时改变，提高了飞行器宽速域范围内整体的气动性能，扩宽了宽速域乘波体展向与流向设计的空间和应用范围。本发明大大地拓展了乘波设计的变量空间，设计时具有更多的创新可能性；在宽速域范围内，变马赫数变激波角轴导吻切流场乘波体相比于传统乘波体其气动性能得到有效改善，并且可以兼顾气动性能和容积，更适合宽速域飞行。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为一种变马赫数变激波角轴导吻切流场乘波体设计方法流程示意图。
图2为变马赫数变激波角轴导吻切流场乘波体设计中展向马赫数变化曲线示意图；
图3为变马赫数变激波角轴导吻切流场乘波体设计中展向激波角变化曲线示意图；
图4为变马赫数变激波角轴导吻切流场乘波体底部截面及某吻切平面示意图，其中，图4(a)为乘波体底部上表面底部型线、激波底部型线和下表面底部型线示意图，图4(b)为乘波体稳切平面激波型线、壁面型线，激波角和参考激波角示意图；
图5为每个吻切平面内曲激波型线示意图；
图6为每个吻切平面内截短吻切曲锥旋转到过其曲率圆心的当地纵向对称面过程示意图；
图7为基准流场中给定前缘激波求解壁面的流线追踪示意图；
图8为变马赫数变激波角轴导吻切流场乘波体图。
具体实施方式
为了使本申请实施例中的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本申请的示例性实施例进行进一步详细的说明，显然，所描述的实施例仅是本申请的一部分实施例，而不是所有实施例的穷举。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例1、参照图1说明本实施方式，变马赫数变激波角轴导吻切流场乘波体设计方法，包括以下步骤：
S1.给定设计参数，设计参数包括马赫数变化范围、激波角变化范围，每个吻切平面内设计马赫数和激波角沿展向方向的规律；
具体的，如图2所示（其中Ma为来流马赫数，z为展向方向坐标），马赫数变化范围为Ma6-Ma10，激波角变化范围为14°-13°，每个吻切平面内设计马赫数和激波角沿展向方向的规律为贝塞尔曲线。
两参数沿展向同时改变，四点三阶贝塞尔曲线本质上是空间三次曲线，但不受限于坐标方向，仅受限于控制节点，方便调节起始点切线方向和空间曲率变化趋势，具体如式1.1；图4（b）给出子午面参考激波角β*；
（1.1）
其中，A0，A1，A2，A3为贝塞尔曲线的控制点，t为参数，B为曲线轨迹；
S2.给定上表面基本型线和吻切平面内不同的曲激波型线；
基本型线包括激波底部型线和乘波体上表面底部型线，设计每个吻切平面内不同的曲激波型线；
将乘波体上表面底部型线设计为二次曲线，激波底部型线设计为直线型线和指数型线组合，中间部分设计为直线，外缘部分设计为指数函数；
如图4（a）所示，上表面底部型线设计为二次曲线，如式（1.2），激波底部型线如式（1.3），中间部分设计为直线，使进气道入口均匀，其外缘部分设计为指数函数，以提高容积率。
如图5所示，每个吻切平面内曲激波型线均设计为四点三阶贝塞尔曲线，但其分布规律不同，通过调节控制点A1实现不同曲激波型线前缘点的激波角不同，通过调节控制点A2实现每个吻切平面内曲激波末端点切线斜率保持一致，每个吻切平面内的激波型线起始示激波角如图3规律，末端的激波角保持不变，沿展向和沿流向的参数均变化；
二次曲线：
（1.2）
激波底部型线：
（1.3）
其中，其中，a、b、c为二次曲线的系数，c的大小等于乘波体底部截面上表面曲线最高点到坐标原点的距离，b等于0，乘波体半宽度，激波底部型线直线段半宽度Ls, a、b、c为二次曲线的系数，A为指数函数系数。
S3.求解吻切平面内曲锥基准流场，获得吻切平面内乘波体下表面流线；
如图4、5、6所示，在乘波体底部平面上，对激波底部型线进行离散获得离散点，由离散点中的任意点获得过离散点的曲率圆和圆心坐标，如式（1.4），（1.5），截短参考锥和截短吻切激波的轴线都过圆心,激波底部离散点和曲率圆圆心的连线与给定乘波体上表面底部型线相交，由此可获得当地吻切平面内上表面底部型线（fcc）与激波底部型线的间距H即当地吻切曲锥的半径H，在吻切平面内由交点做平行于参考锥轴线的直线（自由流面逆向追踪方法）与直激波相交，交点表征吻切平面内乘波体前缘点，如式（1.6）可得前缘点坐标，如图7所示，再由吻切平面内乘波体前缘点出发，采用逆特征线流向追踪方法获得吻切平面内乘波体下表面流线，展向每个前缘点初始马赫数与激波角如图2图3所示；
逆特征线流向追踪方法
基准流场主要分两部分，前缘激波依赖区和主压缩区，前缘激波依赖区由给点前缘激波曲线推进求解，涉及的计算单元为逆特征线内点单元；主压缩区由给定壁面分布规律求解，涉及的计算单元为直接物面点单元和内点单元；具体如图6所示。
（1.4）
（1.5）
（1.6）
S4.获得变马赫数变激波角轴导吻切流场乘波体，基于上表面基本型线和曲激波型线、吻切平面内乘波体下表面流线和乘波体底面共同组成变马赫数变激波角轴导吻切流场乘波体。
连接每个吻切平面内求解得到吻切平面内乘波体下表面后缘点，得到下表面底部型线，所有下表面型线放样生成乘波体下表面，上下表面底部型线封闭得到乘波底面。至此，上表面、下表面和底面共同组成了变马赫数变激波角轴导吻切流场乘波体，具体如图8所示。
实施例2、本发明的计算机装置可以是包括有处理器以及存储器等装置，例如包含中央处理器的单片机等。并且，处理器用于执行存储器中存储的计算机程序时实现上述的一种变马赫数变激波角轴导吻切流场乘波体设计方法的步骤。
所称处理器可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器 (Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列 (Field-Programmable Gate Array，FPGA) 或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。
所述存储器可主要包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序（比如声音播放功能、图像播放功能等）等；存储数据区可存储根据手机的使用所创建的数据（比如音频数据、电话本等）等。此外，存储器可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如硬盘、内存、插接式硬盘，智能存储卡（Smart Media Card, SMC），安全数字（Secure Digital, SD）卡，闪存卡（Flash Card）、至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他易失性固态存储器件。
实施例3、计算机可读存储介质实施例
本发明的计算机可读存储介质可以是被计算机装置的处理器所读取的任何形式的存储介质，包括但不限于非易失性存储器、易失性存储器、铁电存储器等，计算机可读存储介质上存储有计算机程序，当计算机装置的处理器读取并执行存储器中所存储的计算机程序时，可以实现上述的一种变马赫数变激波角轴导吻切流场乘波体设计方法的步骤。
所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器（ROM，Read-Only Memory）、随机存取存储器（RAM，Random Access Memory）、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括电载波信号和电信信号。
尽管根据有限数量的实施例描述了本发明，但是受益于上面的描述，本技术领域内的技术人员明白，在由此描述的本发明的范围内，可以设想其它实施例。此外，应当注意，本说明书中使用的语言主要是为了可读性和教导的目的而选择的，而不是为了解释或者限定本发明的主题而选择的。因此，在不偏离所附权利要求书的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。对于本发明的范围，对本发明所做的公开是说明性的，而非限制性的，本发明的范围由所附权利要求书限定。
Claims (6)
1.一种变马赫数变激波角轴导吻切流场乘波体设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.给定设计参数，设计参数包括马赫数变化范围、激波角变化范围，每个吻切平面内设计马赫数和激波角沿展向方向的规律为贝塞尔曲线；
S2.给定基本型线和吻切平面内的曲激波型线；
基本型线包括激波底部型线和乘波体上表面底部型线，设计每个吻切平面内不同的曲激波型线；
将乘波体上表面底部型线设计为二次曲线，激波底部型线设计为直线型线和指数型线组合，中间部分设计为直线，外缘部分设计为指数函数；
二次曲线：
；
激波底部型线：
；
其中，其中，a、b、c为二次曲线的系数，c的大小等于乘波体底部截面上表面曲线最高点到坐标原点的距离，b等于0，乘波体半宽度，激波底部型线直线段半宽度Ls, a、b、c为二次曲线的系数，A为指数函数系数；
S3.求解吻切平面内曲锥基准流场，获得吻切平面内乘波体下表面流线；
S4.获得变马赫数变激波角轴导吻切流场乘波体，基于上表面基本型线和曲激波型线、吻切平面内乘波体下表面流线和乘波体底面共同组成变马赫数变激波角轴导吻切流场乘波体。
2.根据权利要求1所述一种变马赫数变激波角轴导吻切流场乘波体设计方法，其特征在于，马赫数变化范围为Ma6-Ma10，激波角变化范围为14°-13°，每个吻切平面内设计马赫数和激波角沿展向方向的规律为贝塞尔曲线。
3.根据权利要求2所述一种变马赫数变激波角轴导吻切流场乘波体设计方法，其特征在于，求解吻切平面内曲锥基准流场，获得吻切平面内乘波体下表面流线的方法是：在乘波体底部平面上，对激波底部型线进行离散获得离散点，由离散点中的任意点获得过离散点的曲率圆和圆心坐标，截短参考锥和截短吻切激波的轴线都过圆心,激波底部离散点和曲率圆圆心的连线与给定乘波体上表面底部型线相交，在吻切平面内由交点做平行于参考锥轴线的直线与直激波相交，交点表征吻切平面内乘波体前缘点，再由吻切平面内乘波体前缘点出发，采用逆特征线流向追踪方法获得吻切平面内乘波体下表面流线。
4.根据权利要求3所述一种变马赫数变激波角轴导吻切流场乘波体设计方法，其特征在于，获得变马赫数变激波角轴导吻切流场乘波体的方法是：连接每个吻切平面内求解得到吻切平面内乘波体下表面后缘点，得到下表面底部型线，所有下表面型线放样生成乘波体下表面，上下表面底部型线封闭得到乘波底面。
5.一种电子设备，其特征在于，包括存储器和处理器，存储器存储有计算机程序，所述的处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1-4任一项所述的一种变马赫数变激波角轴导吻切流场乘波体设计方法的步骤。
6.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1-4任一项所述的一种变马赫数变激波角轴导吻切流场乘波体设计方法。
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| Publication number | Publication date |
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