一种用于激波管的激波增强方法与流程

技术特征：

1.一种用于激波管的激波增强方法，其特征在于，包括以下步骤：

对激波后气体的焓值进行完全气体等效假设，得出高温气体效应修正后的运动激波基本关系；

根据得出的所述高温气体效应修正后的运动激波基本关系得出高温气体效应修正后的激波动力学理论，所述高温气体效应修正后的激波动力学理论包括：高温气体效应修正后的CCW关系式、高温气体效应修正后的双波区关系式和高温气体效应修正后的单波区关系式；

依据得出的所述高温气体效应修正后的激波动力学理论设计激波管收缩段的壁面收缩型线，并采用具有该壁面收缩型线收缩段的激波管进行激波增强。

2.根据权利要求1所述的用于激波管的激波增强方法，其特征在于，所述高温气体效应修正后的运动激波基本关系包括波后气体速度、压力、密度和声速，对激波后气体的焓值进行完全气体等效假设，得出高温气体效应修正后的运动激波基本关系为：

借助预先建立的“激波马赫数-焓值(温度)”平衡流数据库，得到波后气体的等效定压比热和等效比热比，并结合准一维平衡流动的守恒方程组和热完全气体的状态方程，推导出波后气体速度、压力、密度和声速的解析公式。

3.根据权利要求2所述的用于激波管的激波增强方法，其特征在于，所述预先建立的“激波马赫数-焓值(温度)”平衡流数据库包括：

通过迭代计算准一维平衡流动的守恒方程组，得到不同激波马赫数的波后气体焓值和温度，利用得到的波后气体焓值和温度与激波马赫数的对应关系，建立“激波马赫数-焓值(温度)”平衡流数据库。

4.根据权利要求2所述的用于激波管的激波增强方法，其特征在于，所述借助预先建立的“激波马赫数-焓值(温度)”平衡流数据库，得到波后气体的等效定压比热和等效比热比，并结合准一维平衡流动的守恒方程组和热完全气体的状态方程，推导出波后气体速度、压力、密度和声速的解析公式为：

已知初始的平面激波马赫数，从预先建立的“激波马赫数-焓值(温度)”平衡流数据库中，直接得到中间量的波后气体焓值h₂^*和温度T₂^*，计算得出波后气体的等效定压比热其中h₁和T₁分别为波前气体的焓值和温度；

利用计算得出的波后气体的等效定压比热Cp₂^*计算得出波后气体的等效比热比其中R为特定气体常数；

对准一维平衡流动的守恒方程组中的波后气体焓值进行完全气体等效假设：其中h₂和T₂分别为波后气体的焓值和温度，然后联立准一维平衡流动的守恒方程组和热完全气体的状态方程，推导出波后气体速度、压力、密度和声速的解析公式。

5.根据权利要求1至4任一项所述的用于激波管的激波增强方法，其特征在于，所述高温气体效应修正后的运动激波基本关系为：

波后气体的速度为：

波后气体的密度为：

波后气体的压力为：

波后气体的声速为：

上述各式中，M_s为运动激波马赫数；下标为1的参数为波前气体参数，下标为2参数为波后气体参数；“±”号中的“+”表示右行激波，“-”表示左行激波；波后气体参数中共含有三个比热比，其中γ₁为波前气体的比热比，γ₂为波后气体的比热比，通过不同组分气体的定压比热与温度的多项式公式，求出波后气体的定压比热Cp₂，再由定压比热Cp₂得出波后气体的比热比γ₂＝Cp₂/(Cp₂-R)，其中R为特定气体常数，γ₂^*为作为中间量的波后气体的等效比热比。

6.根据权利要求1所述的用于激波管的激波增强方法，其特征在于，所述根据得出的所述高温气体效应修正后的运动激波基本关系得出高温气体效应修正后的激波动力学理论，所述高温气体效应修正后的激波动力学理论包括：高温气体效应修正后的CCW关系式、高温气体效应修正后的双波区关系式和高温气体效应修正后的单波区关系式为：

其中，高温气体效应修正后的CCW关系式为：

式中A为管道面积；

$K(M_s,{\mathrm{\γ}}_2^{*},{\mathrm{\γ}}_2)=\[2{(2\sqrt{\frac{{\mathrm{\γ}}_2^{*}}{{\mathrm{\γ}}_2}}\mathrm{\μ}+1+\frac{{\mathrm{\γ}}_2^{*}}{{\mathrm{\γ}}_1{M}_s^2})}^{-1}{(1+\sqrt{\frac{{\mathrm{\γ}}_2^{*}}{{\mathrm{\γ}}_2}}\frac{2}{{\mathrm{\γ}}_2^{*}+1}\frac{1-{\mathrm{\μ}}^2}{\mathrm{\μ}})}^{-1}\],$

式中K为缓变函数，K函数和μ函数都是中间量；

对于双波区，高温气体效应修正后的双波区关系式为：

第一族特征线：

第二族特征线：

对于单波区，当只有第一族特征线或第二族特征线时，高温气体效应修正后的单波区关系式为：

第一族特征线：

第二族特征线：整个单波区成立；

式中，θ为激波角，是激波法向与水平方向的夹角；c为连续扰动在激波上的传播速度；高温气体效应修正后的角度υ为中间量，有

7.根据权利要求1或6所述的用于激波管的激波增强方法，其特征在于，所述依据得出的所述高温气体效应修正后的激波动力学理论设计激波管收缩段的壁面收缩型线，包括以下步骤；

1)确定激波管收缩段的壁面收缩型线需要的设计输入参数，所述设计输入参数包括：初始运动激波马赫数、收缩段起点的高度、收缩段终点的高度、收缩段终点的激波马赫数、斜直线段与水平方向的汇聚角和实验气体的比热比；其中，所述初始运动激波马赫数、收缩段起点的高度、收缩段终点的高度和收缩段终点的激波马赫数四个参数中给定任何三个，第四个参数通过所述高温气体效应修正后的激波动力学理论的高温气体效应修正后的CCW关系式计算得出；

2)从收缩段起点到斜直线段上游端点，以及从收缩段终点到斜直线段下游端点，两个方向同时进行设计，在单波区，斜直线段端点位置的激波角等于汇聚角，根据高温气体效应修正后的单波区关系式，由激波角、初始激波马赫数以及收缩段的出口激波马赫数，分别得到斜直线段两个端点处的激波马赫数；

3)根据高温气体效应修正后的CCW关系以及斜直线段的角度关系，结合斜直线段两个端点处的激波马赫数，分别得到斜直线段两个端点的坐标，进一步得到斜直线段两个端点处圆柱形激波面上各点的激波马赫数、坐标位置和激波角；

4)在双波区，由高温气体效应修正后的双波区关系式，沿特征线迭代求出双波区内部以及双波区边界上各点的激波马赫数、坐标位置以及激波角；

5)由双波区与单波区边界上各点的参数，根据高温气体效应修正后的单波区关系式，得到单波区内部各点的激波马赫数和激波角，并迭代求出凹形曲线段和凸形曲线段上各点的坐标作为激波管收缩段的壁面收缩型线各点的坐标，依次连接所述各点的坐标得到高温气体效应修正后的激波管收缩段的壁面收缩型线。

8.根据权利要求7所述的用于激波管的激波增强方法，其特征在于，所述方法中设计出的壁面收缩型线应用于激波管收缩段的上、下壁面中的至少一侧壁面。

9.根据权利要求7或8所述的用于激波管的激波增强方法，其特征在于，所述方法中设计出的壁面收缩型线为：起始段为一条凹形曲线段，终止段为一条凸形曲线段，中间段为一条平滑连接起始段的凹形曲线段和终止段的凸形曲线段的斜直线段；

所述中间段的斜直线段与水平方向的夹角为存在上限值的汇聚角，当该汇聚角为其上限值时，斜直线段的长度为零。

10.根据权利要求8所述的用于激波管的激波增强方法，其特征在于，所述采用具有该壁面收缩型线收缩段的激波管进行激波增强时，激波管收缩段起点和终点处的激波形状均为平直形，中间段的斜直线段上的激波形状均为圆弧形。