专利名称：轴对称连续变马赫数喷管及其壁面确定方法
技术领域：
本发明涉及超声速喷管设计技术领域，具体而言，涉及一种轴对称连续变马赫数喷管及其壁面确定方法。
背景技术：
超声速/高超声速喷管广泛的应用于高速飞机、火箭、超声速风洞、高能激光器、引射真空泵等设备中，喷管流场品质对设备的性能具有重要的影响。通过一定的设计技术获取适当的喷管壁面曲线，可以大大改善喷管流场品质，提高设备性能，节省研究经费。超声速喷管一般由收缩段和扩张段组成，在一定压力驱动下，气体在收缩段逐渐加速，并在喉部附近达到声速，然后在扩张段继续加速，直至在出口形成所需要马赫数和流动方向角分布的超声速气流。随着现代空气动力学的高速发展和广泛应用，连续变马赫数喷管具有越来越重要的应用前景。特别是在风洞领域，配有连续变马赫数喷管的风洞可以模拟飞行器加速、减速、巡航等状态，一次实验相当于传统单马赫数喷管几十次甚至上百次实验，而且更接近实际的飞行环境。然而，由于高马赫数风洞只能采用塞式喷管构型才能实现变马赫数，相应的流场品质无法保证，出口马赫数最大相对误差可达20% 30%。现有技术中提出了一种塞锥式喷管设计方法，该喷管由多个内喷管、塞锥组成，内喷管为轴对称结构，塞锥设计为瓦状曲面，内喷管可分为收敛段、喉部、扩张段，内喷管和塞锥为一体设计。专著《风洞设计原理》(伍荣林、王振羽编著，北京航空学院出版社，1985年)给出了一种中心滑块式喷管，这种喷管通过调整位于收缩段中的滑块的前后移动，形成尺寸不同的喉部截面，并使滑块与外壁共同构成不同的喷管曲线。由于对流场品质并没有很高的要求，轴对称变马赫数喷管在过去的实验研究和工程应用中没有很迫切的需求，但随着航空航天技术的发展，现有设计技术已经难以满足工程要求。现有技术中已有的轴对称变马赫数喷管存在下述问题:1、仅仅通过流量和马赫数的关系式约束喷管喉部曲线和塞锥曲线，未考虑流动的二维与三维特征；2、塞锥型面设计未考虑消波，导致出口流场品质很差，甚至马赫数不均匀度高于30%以上，对实验数据的精度影响很大。
发明内容
本发明旨在提供一种轴对称连续变马赫数喷管及其壁面确定方法，该轴对称连续变马赫数喷管的流场均匀度高，出口流场品质好。为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种轴对称连续变马赫数喷管的壁面确定方法，包括:根据喷管结构设计要求，确定旋转轴线、已知壁面曲线、与该已知壁面曲线相配合的塞锥壁面曲线、以及塞锥机构进动距离与马赫数的关系曲线；根据塞锥机构进动距离与马赫数的关系曲线，利用特征线法确定塞锥机构处于当前位置时所对应的待求壁面曲线；改变塞锥机构在旋转轴线上的位置，确定各段待求壁面曲线；根据已知壁面曲线、与该已知壁面曲线相配合的塞锥壁面曲线、以及各段待求壁面曲线确定轴对称连续变马赫数喷管的壁面。进一步地，根据喷管结构设计要求，确定旋转轴线、已知壁面曲线、与该已知壁面曲线相配合的塞锥壁面曲线、以及塞锥机构进动距离与马赫数的关系曲线的步骤包括:根据喷管工作马赫数范围，采用特征线法确定最低马赫数时的喷管壁面曲线，并使塞锥壁面曲线的终点与喷管壁面曲线的起点在旋转轴线上的坐标相等；获取喷管最低马赫数工作点，并以该工作点作为起始马赫数工作点。进一步地，根据塞锥机构进动距离与马赫数的关系曲线，利用特征线法确定塞锥机构处于当前位置时所对应的待求壁面曲线的步骤包括:将塞锥壁面曲线沿轴线向下游移动一段距离，使得已知壁面曲线的远离喷管出口的一端到塞锥面的垂直距离满足膨胀比的约束，根据起始马赫数工作点以及塞锥机构进动距离与马赫数的`关系曲线确定塞锥机构当前位置处的喷管出口马赫数；根据已知壁面曲线和当前的喷管出口马赫数，利用特征线法确定出口特征线；根据已知壁面曲线和出口特征线，利用特征线法确定已知壁面曲线在入口处端点位置的逆推特征线；以该逆推特征线与塞锥壁面曲线的交点为起点，根据该起点的马赫数以及跨声速初值线方程通过特征线法及其迭代公式确定跨声速初始特征线；根据已确定的逆推特征线和跨声速初始特征线，利用特征线法确定当前状态下的待求壁面曲线，其中，当前状态下的待求壁面曲线的一端与已知壁面曲线的远离出口的端点相衔接。进一步地，确定当前状态下的待求壁面曲线之后，改变塞锥机构在旋转轴线上的位置，确定各段待求壁面曲线步骤包括:再将塞锥沿轴线向下游移动一段距离，使得前一段确定的待求壁面曲线的远离喷管出口的一端到塞锥面的垂`直距离满足膨胀比的约束，根据已确定的待求壁面曲线和已知壁面曲线组成的壁面曲线和塞锥机构进动距离与马赫数的关系曲线确定塞锥机构当前位置处的喷管出口马赫数，利用特征线法确定新的出口特征线；根据已确定的待求壁面曲线和已知壁面曲线组成的壁面曲线以及新的出口特征线，利用特征线法确定已确定的待求壁面曲线和已知壁面曲线组成的壁面曲线在入口处的新的逆推特征线；以该新的逆推特征线与塞锥壁面曲线的交点为起点，根据该起点的马赫数以及跨声速初值线方程通过特征线法及其迭代公式确定新的跨声速初始特征线；根据已确定的新的逆推特征线和新的跨声速初始特征线，利用特征线法确定当前状态下的待求壁面曲线；根据已确定的新的逆推特征线和新的跨声速初始特征线，利用特征线法确定新的当前状态下的待求壁面曲线；依次重复上述过程，直至达到最高马赫数，确定各待求壁面曲线。进一步地，特征线法的迭代公式为:
权利要求
1.一种轴对称连续变马赫数喷管的壁面确定方法，其特征在于，包括: 根据喷管结构设计要求，确定旋转轴线、已知壁面曲线、与该已知壁面曲线相配合的塞锥壁面曲线、以及塞锥机构进动距离与马赫数的关系曲线； 根据所述塞锥机构进动距离与马赫数的关系曲线，利用特征线法确定所述塞锥机构处于当前位置时所对应的待求壁面曲线； 改变所述塞锥机构在旋转轴线上的位置，确定各段待求壁面曲线； 根据所述已知壁面曲线、与该已知壁面曲线相配合的所述塞锥壁面曲线、以及各段待求壁面曲线确定所述轴对称连续变马赫数喷管的壁面。
2.根据权利要求1所述的轴对称连续变马赫数喷管的壁面确定方法，其特征在于，所述根据喷管结构 设计要求，确定旋转轴线、已知壁面曲线、与该已知壁面曲线相配合的塞锥壁面曲线、以及塞锥机构进动距离与马赫数的关系曲线的步骤包括: 根据喷管工作马赫数范围，采用所述特征线法确定最低马赫数时的喷管壁面曲线，并使所述塞锥壁面曲线的终点与所述喷管壁面曲线的起点在旋转轴线上的坐标相等； 获取喷管最低马赫数工作点，并以该工作点作为起始马赫数工作点。
3.根据权利要求2所述的轴对称连续变马赫数喷管的壁面确定方法，其特征在于，所述根据所述塞锥机构进动距离与马赫数的关系曲线，利用特征线法确定塞锥机构处于当前位置时所对应的待求壁面曲线的步骤包括: 将所述塞锥壁面曲线沿所述轴线向下游移动一段距离，使得已知壁面曲线的远离喷管出口的一端到塞锥面的垂直距离满足膨胀比的约束，根据所述起始马赫数工作点以及所述塞锥机构进动距离与马赫数的关系曲线确定所述塞锥机构当前位置处的喷管出口马赫数； 根据所述已知壁面曲线和当前的喷管出口马赫数，利用所述特征线法确定出口特征线.根据所述已知壁面曲线和所述出口特征线，利用所述特征线法确定所述已知壁面曲线在入口处端点位置的逆推特征线； 以该逆推特征线与所述塞锥壁面曲线的交点为起点，根据该起点的马赫数以及跨声速初值线方程通过所述特征线法及其迭代公式确定跨声速初始特征线； 根据已确定的所述逆推特征线和跨声速初始特征线，利用所述特征线法确定当前状态下的待求壁面曲线，其中，所述当前状态下的待求壁面曲线的一端与所述已知壁面曲线的远离出口的端点相衔接。
4.根据权利要求3所述的轴对称连续变马赫数喷管的壁面确定方法，其特征在于，确定所述当前状态下的待求壁面曲线之后，所述改变所述塞锥机构在旋转轴线上的位置，确定各段待求壁面曲线步骤包括: 再将所述塞锥沿所述轴线向下游移动一段距离，使得前一段确定的待求壁面曲线的远离所述喷管出口的一端到所述塞锥面的垂直距离满足所述膨胀比的约束，根据已确定的待求壁面曲线和已知壁面曲线组成的壁面曲线和所述塞锥机构进动距离与马赫数的关系曲线确定所述塞锥机构当前位置处的喷管出口马赫数，利用所述特征线法确定新的出口特征线.根据已确定的待求壁面曲线和已知壁面曲线组成的壁面曲线以及新的出口特征线，利用所述特征线法确定所述已确定的待求壁面曲线和已知壁面曲线组成的壁面曲线在入口处的新的逆推特征线； 以该新的逆推特征线与所述塞锥壁面曲线的交点为起点，根据该起点的马赫数以及跨声速初值线方程通过所述特征线法及其迭代公式确定新的跨声速初始特征线； 根据已确定的所述新的逆推特征线和新的跨声速初始特征线，利用所述特征线法确定当前状态下的待求壁面曲线； 根据已确定的所述新的逆推特征线和新的跨声速初始特征线，利用所述特征线法确定新的当前状态下的待求壁面曲线； 依次重复上述过程，直至达到最高马赫数，确定各所述待求壁面曲线。
5.根据权利要求1所述的轴对称连续变马赫数喷管的壁面确定方法，其特征在于，所述特征线法的迭代公式为:
6.根据权利要求4所述的轴对称连续变马赫数喷管的壁面确定方法，其特征在于，所述跨声速初始特征线根据下列跨声速初值线方程确定:
7.根据权利要求1至6中任一项所述的轴对称连续变马赫数喷管的壁面确定方法，其特征在于，所述特征线法包括预估步和校正步，所述校正步根据所述预估步的结果进行校正。
8.一种轴对称连续变马赫数喷管，其特征在于，所述轴对称连续变马赫数喷管的壁面由权利要求1至7中任一项所述的轴对称连续变马赫数喷管的壁面确定方法来确定。
9.一种轴对称连续变马赫数喷管，其特征在于，包括已知塞锥壁面、已知壁面、以及连接所述已知塞锥壁面和所述已知壁面的待求壁面，其中，所述待求壁面根据塞锥机构进动距离与马赫数的关系曲线利用特征线法逐步确定。
全文摘要
本发明公开了一种轴对称连续变马赫数喷管及其壁面确定方法。该方法包括根据喷管结构设计要求，确定旋转轴线、已知壁面曲线、与该已知壁面曲线相配合的塞锥壁面曲线以及塞锥机构进动距离与马赫数的关系曲线；根据塞锥机构进动距离与马赫数的关系曲线利用特征线法确定塞锥机构处于当前位置时所对应的待求壁面曲线；改变塞锥机构在旋转轴线上的位置，逐步确定各段待求壁面曲线；根据已知壁面曲线、与该已知壁面曲线相配合的塞锥壁面曲线以及各段待求壁面曲线确定轴对称连续变马赫数喷管的壁面。本发明的确定方法确定的轴对称连续变马赫数喷管的流场不均匀度低于1%，比传统的技术提高了一个数量级，喷管马赫数对进动距离的敏感性可控。
文档编号G06F17/50GK103150423SQ20131004571
公开日2013年6月12日 申请日期2013年2月5日 优先权日2013年2月5日
发明者王振国, 赵玉新 申请人:中国人民解放军国防科学技术大学