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飛行器異型曲面內(nèi)流道流場可視化玻璃觀察窗及設(shè)計方法與流程

文檔序號:11851075閱讀:611來源:國知局
飛行器異型曲面內(nèi)流道流場可視化玻璃觀察窗及設(shè)計方法與流程

本發(fā)明屬于空氣動力學(xué)技術(shù)領(lǐng)域,是一種飛行器異型曲面內(nèi)流道流場可視化玻璃觀察窗及其設(shè)計方法。



背景技術(shù):

高超聲速飛行器具有快速抵達、高速突防的能力,是世界各軍事強國關(guān)注的重點。采用吸氣式超燃發(fā)動機或者組合發(fā)動機為動力的高超聲速飛行器,通過捕獲空氣中的氧氣,減少了氧化劑攜帶量,從而使飛行器獲得很高的性能,成為21世紀科技發(fā)展的制高點。高超聲速飛行器的超燃沖壓發(fā)動機廣泛采用內(nèi)轉(zhuǎn)式進氣道作為其壓縮進氣部件。

高超聲速飛行器使用的內(nèi)轉(zhuǎn)式進氣道,由于采用三維空間壓縮,具有壓縮效率高、阻力小等優(yōu)勢,已成為當前吸氣式高超聲速動力系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的一個重要方向,并從早先的理論設(shè)計階段正在走向?qū)嵺`階段。

內(nèi)轉(zhuǎn)式進氣道的型面都是異型曲面,構(gòu)型不同于常規(guī),平面觀察窗的設(shè)計方法已無法使用在異型曲面觀察窗的設(shè)計上,而采用一般的曲面觀察窗設(shè)計又會導(dǎo)致光線的偏折,造成觀察到的流動結(jié)構(gòu)失真,給試驗觀察內(nèi)部的流動帶來了困難,如圖1(a)和圖1(b)所示,因而試驗中獲得內(nèi)流結(jié)構(gòu)已成為研究的一大瓶頸。

為此需要發(fā)展新的適應(yīng)異型曲面的觀察窗設(shè)計方法,以有效地顯示這類復(fù)雜流動結(jié)構(gòu),從而幫助進行流動規(guī)律分析,更好地開展內(nèi)轉(zhuǎn)式進氣道設(shè)計。

國內(nèi)外在進氣道內(nèi)流場可視化試驗研究,主要表現(xiàn)在以下兩個方面:①由于觀察窗內(nèi)外壁面均為平面易于設(shè)計,常規(guī)高超聲速二維進氣道內(nèi)流場可視化試驗研究比較成熟。②由于異型曲面玻璃觀察窗難以設(shè)計,除了在內(nèi)轉(zhuǎn)式進氣道外部獲得可視化試驗結(jié)果外,尚未見高超聲速內(nèi)轉(zhuǎn)式進氣道內(nèi)流場可視化試驗結(jié)果。

現(xiàn)有技術(shù)中因為玻璃觀察窗設(shè)計方法上存在難度,無法有效地獲得三維內(nèi)轉(zhuǎn)式進氣道內(nèi)流場可視化試驗結(jié)果。



技術(shù)實現(xiàn)要素:

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是:通過異型曲面內(nèi)流道流場可視化玻璃觀察窗及其設(shè)計方法,打破傳統(tǒng)的飛行器模型平板玻璃觀察窗的設(shè)計思想,通過成熟的光學(xué)非接觸測量方法獲得高超聲速飛行器內(nèi)轉(zhuǎn)進氣道內(nèi)流結(jié)構(gòu)試驗結(jié)果,為流動分析及高超聲速飛行器研究提供可靠的試驗依據(jù)。

因此,本發(fā)明要根據(jù)已知的異型曲面內(nèi)流道壁面作為玻璃窗的內(nèi)表面,設(shè)計出唯一的光學(xué)曲面作為玻璃窗的外表面,使得入射光束經(jīng)過玻璃窗后,出射光束的傳輸方向與入射光束一致,如圖2所示。

為實現(xiàn)上述發(fā)明目的,本發(fā)明技術(shù)方案如下:

一種飛行器異型曲面內(nèi)流道流場可視化玻璃觀察窗,用于觀察由一系列離散點構(gòu)成的不規(guī)則的三維異型曲面內(nèi)流道流場,包括兩個通光表面,分別為內(nèi)表面C1和外表面C2,所述玻璃觀察窗內(nèi)表面C1與內(nèi)流道壁面完全一致,光線經(jīng)過內(nèi)表面后產(chǎn)生偏折和交叉,玻璃觀察窗外表面C2為校正曲面,用于消除內(nèi)表面產(chǎn)生的光線偏折,使平行光從光學(xué)玻璃觀察窗穿過后仍為平行光。

作為優(yōu)選方式,所述的飛行器異型曲面內(nèi)流道流場可視化玻璃觀察窗的設(shè)計方法為:選擇光的入射方向為X軸的正方向,垂直于入射光方向的平面為YZ平面來建立三維坐標系OXYZ;曲面C1是異型曲面內(nèi)流道的壁面,它是離散點P1的集合,是內(nèi)流道模型設(shè)計時已知的數(shù)據(jù),選定玻璃材料和光學(xué)玻璃厚度后,玻璃的折射率n與玻璃的中心厚度d已知;光線平行于X軸入射到達P1點,經(jīng)過曲面C1折射后到達C2面上的P2點,再經(jīng)過C2曲面折射后再次平行于X軸出射,光學(xué)玻璃觀察窗設(shè)計的最終目標就是得到P2點的集合確定出曲面C2,C2是觀察窗的外表面,亦即:已知曲面C1,給定玻璃的折射率n與玻璃的中心厚度d,求曲面C2,使得入射的平行光線通過C1-C2構(gòu)成的玻璃后依然平行出射。

作為優(yōu)選方式,所述玻璃窗通過如下設(shè)計方法得到:P1(a,b,c)是曲面C1上已知的任意一點,依據(jù)C1表面上P1點周圍附近的四個點,求叉乘得到P1點的法線l,令其單位向量為l=(l1,l2,l3),根據(jù)光的折射定律,到達P1點的入射光線,出射光線P1P2,C1面在P1點的法線l三線共面,且:

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依據(jù)(1)、(2)得到α1、α2;根據(jù)費馬原理,Q1是P1在X軸方向的投影,Q3、Q2分別是X軸和C1面、C2面的交點;P3是C2面上從P2點出射的光線上的一點,其在X軸上的投影是Q2;光線從P1點到P3點的光程與光線從Q1點到Q2點的光程相等,令C2面上被求點P2(x,y,z),Q3點橫坐標a3,那么有:

n|P1P2|+|P2P3|=|Q1Q3|+n|Q3Q2| (3)

即:

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因為P1P2與l在同一平面內(nèi),則有:

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聯(lián)立(4)、(5)、(6)得到P2(x,y,z),所有P2(x,y,z)的集合就得到曲面C2

為實現(xiàn)上述發(fā)明目的,本發(fā)明還提供一種飛行器異型曲面內(nèi)流道流場可視化玻璃觀察窗的設(shè)計方法,包括如下步驟:

P1(a,b,c)是曲面C1上已知的任意一點,依據(jù)C1表面上P1點周圍附近的四個點,求叉乘得到P1點的法線l,令其單位向量為l=(l1,l2,l3),根據(jù)光的折射定律,到達P1點的入射光線,出射光線P1P2,C1面在P1點的法線l三線共面,且:

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依據(jù)(1)、(2)得到α1、α2;根據(jù)費馬原理,Q1是P1在X軸方向的投影,Q3、Q2分別是X軸和C1面、C2面的交點;P3是C2面上從P2點出射的光線上的一點,其在X軸上的投影是Q2;光線從P1點到P3點的光程與光線從Q1點到Q2點的光程相等,令C2面上被求點P2(x,y,z),Q3點橫坐標a3,那么有:

n|P1P2|+|P2P3|=|Q1Q3|+n|Q3Q2| (3)

即:

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因為P1P2與l在同一平面內(nèi),則有:

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聯(lián)立(4)、(5)、(6)得到P2(x,y,z),所有P2(x,y,z)的集合就得到曲面C2。

本發(fā)明的有益效果為:入射的平行光線通過本發(fā)明設(shè)計方法設(shè)計出來的由C1面和C2面構(gòu)成的可視化玻璃后依然平行出射,利用本觀察窗觀察異型曲面內(nèi)流道流動不會導(dǎo)致光線的偏折和交叉,觀察到的流動結(jié)構(gòu)無失真現(xiàn)象,通過本異型曲面內(nèi)流道光學(xué)玻璃觀察窗,可以實現(xiàn)對任意的異型曲面內(nèi)流道三維流場進行光學(xué)非接觸測量可視化試驗研究,通過成熟的光學(xué)非接觸測量方法獲得高超聲速飛行器內(nèi)轉(zhuǎn)進氣道內(nèi)流結(jié)構(gòu)試驗結(jié)果,為流動分析及高超聲速飛行器研究提供可靠的試驗依據(jù),該設(shè)計方法不僅可以用于內(nèi)流的流動顯示,還可用于紅外導(dǎo)引頭、異型面雷達透波窗口的設(shè)計。

附圖說明

圖1(a)和圖1(b)為某內(nèi)轉(zhuǎn)式進氣道流場計算結(jié)果,其中圖1(a)為對稱面流場結(jié)構(gòu),圖1(b)為內(nèi)通道喉道截面流場結(jié)構(gòu);

圖2為異型曲面玻璃觀察窗光束傳輸示意圖;

圖3為光學(xué)玻璃窗設(shè)計原理圖;

圖4為內(nèi)轉(zhuǎn)式進氣道模型結(jié)構(gòu)簡圖;

圖5為針對圖4中的進氣道模型內(nèi)型面和圖1所示的流場位置采用異型曲面內(nèi)流道流場可視化玻璃觀察窗設(shè)計方法設(shè)計出來的一對異型曲面光學(xué)玻璃觀察窗。

圖6(a)-圖6(d)為異型面玻璃窗的TracePro驗證結(jié)果圖:

圖6(a)為距第一塊玻璃40mm位置的入射光斑;

圖6(b)為兩玻璃窗之間的光斑;

圖6(c)為距第二塊玻璃50mm位置的出射光斑;

圖6(d)為距第二塊玻璃500mm位置的出射光斑。

具體實施方式

以下通過特定的具體實例說明本發(fā)明的實施方式,本領(lǐng)域技術(shù)人員可由本說明書所揭露的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點與功效。本發(fā)明還可以通過另外不同的具體實施方式加以實施或應(yīng)用,本說明書中的各項細節(jié)也可以基于不同觀點與應(yīng)用,在沒有背離本發(fā)明的精神下進行各種修飾或改變。

異型曲面內(nèi)流道是一個由一系列離散點構(gòu)成的不規(guī)則的的三維曲面,這些曲面的一個共同點就是不能用簡單的數(shù)學(xué)方程進行描述。

異型曲面內(nèi)流道光學(xué)玻璃觀察窗設(shè)計,就是玻璃觀察窗的內(nèi)表面必須與內(nèi)流道壁面完全一致,這樣玻璃觀察窗的內(nèi)表面就相當于一個光學(xué)折射面,勢必引起光線的偏折。設(shè)計時,我們在光路中加入校正曲面,就可以消除內(nèi)表面產(chǎn)生的光線偏折影響,確保光束從光學(xué)玻璃觀察窗穿過后不產(chǎn)生光線偏折,即平行光從第一塊玻璃觀察窗進入內(nèi)流道試驗段仍為平行光,從試驗段出射穿過第二塊玻璃觀察窗后也是平行光,即玻璃窗只是起到密封氣流和光學(xué)流動可視化光學(xué)玻璃觀察窗的作用,而完全不能產(chǎn)生光學(xué)透鏡偏折的影響。

為了使光路調(diào)整方便和簡化加工程序,我們把在光路中加入的校正曲面作為玻璃窗的外表面,通過合理的設(shè)計就可以滿足異型曲面內(nèi)流道光學(xué)玻璃觀察窗的設(shè)計要求。

如圖3所示,一種飛行器異型曲面內(nèi)流道流場可視化玻璃觀察窗,用于觀察由一系列離散點構(gòu)成的不規(guī)則的三維異型曲面內(nèi)流道,包括兩個通光表面,分別為內(nèi)表面C1和外表面C2,所述玻璃觀察窗內(nèi)表面C1與內(nèi)流道壁面完全一致,光線經(jīng)過內(nèi)表面后產(chǎn)生偏折,玻璃觀察窗外表面C2為校正曲面,用于消除內(nèi)表面產(chǎn)生的光線偏折和交叉,使平行光從光學(xué)玻璃觀察窗穿過后仍為平行光。

所述的飛行器異型曲面內(nèi)流道流場可視化玻璃觀察窗的設(shè)計方法為:選擇光的入射方向為X軸的正方向,垂直于入射光方向的平面為YZ平面來建立三維坐標系OXYZ;曲面C1是異型曲面內(nèi)流道的壁面,它是離散點P1的集合,是內(nèi)流道模型設(shè)計時已知的數(shù)據(jù),選定玻璃材料和光學(xué)玻璃厚度后,玻璃的折射率n與玻璃的中心厚度d已知;光線平行于X軸入射到達P1點,經(jīng)過曲面C1折射后到達C2面上的P2點,再經(jīng)過C2曲面折射后再次平行于X軸出射,光學(xué)玻璃觀察窗設(shè)計的最終目標就是得到P2點的集合確定出曲面C2,C2是觀察窗的外表面,亦即:已知曲面C1,給定玻璃的折射率n與玻璃的中心厚度d,求曲面C2,使得入射的平行光線通過C1-C2構(gòu)成的玻璃后依然平行出射。

P1(a,b,c)是曲面C1上已知的任意一點,依據(jù)C1表面上P1點周圍附近的四個點,求叉乘得到P1點的法線l,令其單位向量為l=(l1,l2,l3),根據(jù)光的折射定律,到達P1點的入射光線,出射光線P1P2,C1面在P1點的法線l三線共面,且:

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依據(jù)(1)、(2)得到α1、α2;根據(jù)費馬原理,Q1是P1在X軸方向的投影,Q3、Q2分別是X軸和C1面、C2面的交點;P3是C2面上從P2點出射的光線上的一點,其在X軸上的投影是Q2;光線從P1點到P3點的光程與光線從Q1點到Q2點的光程相等,令C2面上被求點P2(x,y,z),Q3點橫坐標a3,那么有:

n|P1P2|+|P2P3|=|Q1Q3|+n|Q3Q2| (3)

即:

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聯(lián)立(4)、(5)、(6)得到P2(x,y,z),所有P2(x,y,z)的集合就得到曲面C2。

圖4為內(nèi)轉(zhuǎn)式進氣道模型結(jié)構(gòu)簡圖;

圖5為針對圖4中的進氣道模型內(nèi)型面和圖1所示的流場位置采用異型曲面內(nèi)流道流場可視化玻璃觀察窗設(shè)計方法設(shè)計出來的一對異型曲面光學(xué)玻璃觀察窗。

圖6(a)-圖6(d)為異型面玻璃窗的TracePro驗證結(jié)果圖:

圖6(a)為距第一塊玻璃40mm位置的入射光斑;

圖6(b)為兩玻璃窗之間的光斑;

圖6(c)為距第二塊玻璃50mm位置的出射光斑;

圖6(d)為距第二塊玻璃500mm位置的出射光斑。

TracePro是一套普遍用于照明系統(tǒng)、光學(xué)分析、輻射度分析及光度分析的光線模擬軟件。我們采用光線追跡軟件Tracepro對設(shè)計結(jié)果進行驗證,從圖6(a)-圖6(d)中可以看出:平行光束通過兩組窗口后,光斑形狀幾乎沒有變化,光強分布均勻性較好,說明入射的平行光線通過本發(fā)明設(shè)計方法設(shè)計出來的由C1面和C2面構(gòu)成的可視化玻璃后依然平行出射。

上述實施例僅例示性說明本發(fā)明的原理及其功效,而非用于限制本發(fā)明。任何熟悉此技術(shù)的人士皆可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下,對上述實施例進行修飾或改變。因此,凡所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識者在未脫離本發(fā)明所揭示的精神與技術(shù)思想下所完成的一切等效修飾或改變,仍應(yīng)由本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋。

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