高超聲速靜音噴管及其確定方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種高超聲速靜音噴管及其確定方法。高超聲速靜音噴管的確定方法包括如下步驟：確定噴管的內壁面的型面曲線；確定抽吸孔組內的第一抽吸孔在噴管的內壁面的設置位置；確定第一抽吸孔的軸線與噴管的軸線的夾角α；確定第一抽吸孔的截面形狀，并確定第一抽吸孔的截面積。通過該高超聲速靜音噴管的確定方法能夠設計出高超聲速靜音噴管。
【專利說明】高超聲速靜音噴管及其確定方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及空氣動力研究設備領域，具體而言，涉及一種高超聲速靜音噴管及其確定方法。
【背景技術】
[0002]風洞實驗是指在一個按一定要求設計的管道內，使用動力裝置驅動一股可控制的氣流，將實驗模型固定在管道的試驗區(qū)內，根據(jù)運動的相對性和相似性原理進行各種空氣動力實驗，以模擬空中各種飛行狀態(tài)，獲取模型實驗數(shù)據(jù)。高超聲速風洞是風洞的一種，廣泛的應用于導彈、飛機、火箭等的模型實驗，是航空航天領域內一項基本的實驗設備。
[0003]現(xiàn)有的高超聲速風洞流場存在較高的氣動噪聲和湍流度，比高空大氣的實際流場高I?2個數(shù)量級，因此采用現(xiàn)有的高超聲速(馬赫數(shù)在5.0到10的范圍內)風洞進行試驗，由于其邊界層轉捩位置、轉捩區(qū)域和轉捩雷諾數(shù)與實際高空大氣偏差較大，造成部分試驗結果的準確性嚴重偏離真實情況，從而為模型的準確設計帶來困難。
[0004]為此需研究一種氣動噪聲和湍流度與高空大氣接近的高超聲速風洞(高空大氣的湍流度一般只有0.03% )，也即高超聲速靜音風洞。
[0005]噴管是高超聲速風洞的關鍵部件，它安裝在風洞穩(wěn)定段的下游和試驗段的上游。傳統(tǒng)噴管一般包括收縮區(qū)、喉道和擴張區(qū)三部分，為了在試驗段產生高超聲速氣流，噴管的收縮區(qū)將氣流從低亞聲速均勻加速到聲速，然后氣流從噴管的喉部開始等熵均勻加速膨脹，至噴管擴張區(qū)出口達到所要求的馬赫數(shù)，因此噴管是保證實驗段獲得設計馬赫數(shù)的重要風洞部件。
[0006]對于傳統(tǒng)的高超聲速風洞，收縮區(qū)、喉道區(qū)和擴張區(qū)是傳統(tǒng)噴管的三個部分，收縮區(qū)為一連續(xù)收縮的型面，喉道區(qū)為曲線直徑最小的部分，擴張部為一連續(xù)擴大的型面，喉道將收縮區(qū)和擴張區(qū)無縫連接起來，形成整體噴管曲線。試驗模型在噴管出口進行實驗。
[0007]高超聲速靜音風洞要求噴管達到層流噴管的水平，所謂層流噴管，就是說噴管內表面的流動必須是層流邊界層，但是一般的噴管的邊界層均是湍流邊界層，這使得現(xiàn)有噴管構成的高超聲速風洞部分試驗結果準確度低。層流噴管也稱靜音噴管。

【發(fā)明內容】

[0008]本發(fā)明旨在提供一種高超聲速靜音噴管及其確定方法，以解決現(xiàn)有技術中的高超聲速噴管存在較大氣動噪聲和湍流度致使噴管的邊界層轉捩位置和轉捩雷諾數(shù)偏差較大影響試驗結果的問題。
[0009]為了實現(xiàn)上述目的，根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種高超聲速靜音噴管的確定方法，該高超聲速靜音噴管的確定方法包括如下步驟:確定噴管的內壁面的型面曲線；確定抽吸孔組內的第一抽吸孔在噴管的內壁面的設置位置；確定第一抽吸孔的軸線與噴管的軸線的夾角α ;確定第一抽吸孔的截面形狀，并確定第一抽吸孔的截面積。
[0010]進一步地，在確定抽吸孔組的第一抽吸孔在噴管的內壁面的設置位置的步驟中，第一抽吸孔在噴管的內壁面上的設置位置為第一抽吸孔的軸線與噴管的內壁面的型面曲線的交點P，交點P處的馬赫數(shù)在0.2至0.3這一范圍內。
[0011]進一步地，交點P處的馬赫數(shù)為0.25。
[0012]進一步地，在確定第一抽吸孔的軸線與噴管的軸線的夾角α的步驟中，夾角α的取值范圍在30度至60度之間。
[0013]進一步地，夾角α為45度。
[0014]進一步地，在確定第一抽吸孔的截面形狀，并確定第一抽吸孔的截面積的步驟中，第一抽吸孔在第一平面上的截面形狀為橢圓形，第一平面為垂直于第一抽吸孔的軸線的平面，確定第一抽吸孔的長直徑u和第一抽吸孔的短直徑W。
[0015]進一步地，第一抽吸孔的短直徑w為噴管內的在交點P處的邊界層厚度的0.1倍至0.2倍，第一抽吸孔的長直徑u為第一抽吸孔的短直徑W的2倍至3倍。
[0016]進一步地，噴管具有多個抽吸孔組，多個抽吸孔組沿噴管的軸向間隔設置，相鄰兩個抽吸孔組之間間隔距離m，各抽吸孔組包括多個沿噴管的周向間隔設置的第一抽吸孔，各抽吸孔組包含的第一抽吸 孔的數(shù)量k根據(jù)公式I確定，
_7] k = ^ 公式1
[0018]其中，L為抽吸孔組所在處的噴管的內圓周長度，h為抽吸孔組的相鄰兩個第一抽吸孔之間的距離，h的取值范圍為0.5倍的距離w至1.5倍的距離W。
[0019]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種高超聲速靜音噴管，該高超聲速靜音噴管包括:收縮段，收縮段由第一端至第二端的橫截面面積逐漸減小；喉道，喉道的第一端與收縮段的第二端連接；擴張段，擴張段的第一端與喉道的第二端連接，且擴張段由第一端至第二端的橫截面面積逐漸增大；抽吸孔組，抽吸孔組位于收縮段和喉道之間，抽吸孔組包括多個第一抽吸孔，第一抽吸孔貫穿噴管的管壁，高超聲速靜音噴管由上述的高超聲速靜音噴管的確定方法確定。
[0020]進一步地，高超聲速靜音噴管包括多個抽吸孔組，多個抽吸孔組沿高超聲速靜音噴管的軸向間隔設置，相鄰兩個抽吸孔組之間間距距離m。
[0021]應用本發(fā)明的技術方案，高超聲速靜音噴管的確定方法包括如下步驟:確定噴管的內壁面的型面曲線；確定抽吸孔組的第一抽吸孔在噴管的內壁面的設置位置；確定第一抽吸孔的軸線與噴管的軸線的夾角α，確定第一抽吸孔的截面形狀，并確定第一抽吸孔的截面積。通過該高超聲速靜音噴管的確定方法確定的高超聲速靜音噴管具有第一抽吸孔，通過該第一抽吸孔能夠將噴管的喉道前的湍流邊界層抽吸出去，進而消除了噴管內上游湍流對噴管內下游的影響，保證了噴管的喉道的內壁面的邊界層為層流，故而保證了高超聲速靜音噴管的靜音，同時減小了高超聲速靜音噴管的湍流度，也保證了高超聲速靜音噴管的邊界層轉捩位置和轉捩雷諾數(shù)的擬真度，而且也保證了高超聲速靜音噴管的內壁面曲線的連續(xù)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]構成本發(fā)明的一部分的附圖用來提供對本發(fā)明的進一步理解，本發(fā)明的示意性實施例及其說明用于解釋本發(fā)明，并不構成對本發(fā)明的不當限定。在附圖中:[0023]圖1示出了本發(fā)明的實施例的高超聲速靜音噴管的剖視圖；
[0024]圖2示出了圖1中的A處的放大圖；以及
[0025]圖3示出了本發(fā)明的實施例的相鄰兩個第一抽吸孔的結構示意圖。
[0026]附圖標記說明:10、第一抽吸孔；20、收縮段；30、喉道；40、擴張段。
【具體實施方式】
[0027]下文中將參考附圖并結合實施例來詳細說明本發(fā)明。需要說明的是，在不沖突的情況下，本申請中的實施例及實施例中的特征可以相互組合。
[0028]如圖1至3所示，根據(jù)本發(fā)明的實施例，高超聲速靜音噴管的確定方法包括如下步驟:確定噴管的內壁面的型面曲線；確定抽吸孔組的第一抽吸孔10在噴管的內壁面的設置位置；確定第一抽吸孔10的軸線與噴管的軸線的夾角α，確定第一抽吸孔10的截面形狀，并確定第一抽吸孔10的截面積。通過該高超聲速靜音噴管的確定方法確定的高超聲速靜音噴管具有第一抽吸孔10，通過該第一抽吸孔10能夠將噴管的喉道前的湍流邊界層抽吸出去，進而消除了噴管內上游湍流對噴管內下游的影響，保證了噴管的喉道的內壁面的邊界層為層流，故而保證了高超聲速靜音噴管的靜音，同時減小了高超聲速靜音噴管的湍流度，也保證了高超聲速靜音噴管的邊界層轉捩位置和轉捩雷諾數(shù)的擬真度，而且也保證了高超聲速靜音噴管的內壁面曲線的連續(xù)。
[0029]在本實施例中，第一抽吸孔10在第一平面上的截面形狀為橢圓形，第一平面為垂直于第一抽吸孔10的軸線的平面，確定第一抽吸孔10的長直徑U和第一抽吸孔10的短直徑W。橢圓形抽吸孔相較于方形或矩形抽吸孔方便加工，相較于圓形抽吸孔可以提高有效抽吸面積，且橢圓形抽吸孔的長直徑方向與氣流方向平行能夠更好地更順暢地抽吸。
[0030]優(yōu)選地，在本實施例中，在確定噴管的內壁面的型面曲線的步驟中，根據(jù)五次曲線方法或三次曲線方法確定噴管的內壁面的型面曲線。采用五次曲線方法或三次曲線方法確定噴管的內壁面的型面曲線可以獲得更好的流場特性。
[0031]優(yōu)選地，在確定第一抽吸孔10在噴管的內壁面的設置位置的步驟中，第一抽吸孔10在噴管的內壁面上的設置位置為第一抽吸孔10的軸線與噴管的內壁面的型面曲線的交點P，交點P處的馬赫數(shù)在0.2至0.3這一范圍內。第一抽吸孔10設置在噴管內的馬赫數(shù)在0.2至0.3這一范圍內能夠實現(xiàn)很好的抽吸效果，若第一抽吸孔10設置的位置過于靠近噴管的上游則導致湍流層抽吸后氣流在第一抽吸孔10和喉道30之間再次產生湍流，導致效果不好；若第一抽吸孔10設置的位置過于靠近喉道30則由于此時的流速較高，會對下游的氣流帶來擾動。
[0032]優(yōu)選地，交點P處的馬赫數(shù)為0.25。第一抽吸孔10設置在馬赫數(shù)為0.25處時可以保證最好的抽吸效果。
[0033]優(yōu)選地，在確定第一抽吸孔10的軸線與噴管的中心軸線的夾角α的步驟中，夾角α的取值范圍在30度至60度之間。角度的選取是比較實驗結果和加工工藝后得出的，，當夾角α在這一范圍內時具有較好的抽吸效果，同時第一抽吸孔10也比較容易實現(xiàn)。
[0034]優(yōu)選地，夾角α為45度。此時的抽吸效果最好。
[0035]第一抽吸孔10的短直徑w為噴管內的在交點P處的邊界層厚度的0.1倍至0.2倍，交點P處的邊界層厚度可以通過現(xiàn)有的計算方法獲得。第一抽吸孔10的長直徑U為第一抽吸孔10的短直徑W的2倍至3倍。這樣能夠保證第一抽吸孔10的抽吸效率。
[0036]優(yōu)選地，為了進一步提高第一抽吸孔10的抽吸效率，保證抽吸效果，噴管具有多個抽吸孔組，多個抽吸孔組沿噴管的軸向間隔設置，相鄰兩個抽吸孔組之間間隔距離m，各抽吸孔組包括多個沿噴管的周向間隔設置的第一抽吸孔10，各抽吸孔組包含的第一抽吸孔10的數(shù)量k根據(jù)公式I確定，
[0037]k = L/W+H 公式 1
[0038]其中，L為抽吸孔組所在處的噴管的內圓周長度，h為抽吸孔組的相鄰兩個第一抽吸孔10之間的距離(此處的距離指相鄰兩個抽吸孔之間的最接近的兩點之間的噴管的內壁面的弧長)，h的取值范圍為0.5倍的距離W至1.5倍的距離W。
[0039]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，高超聲速靜音噴管包括收縮段20、喉道30、擴張段40和抽吸孔組，收縮段20由第一端至第二端的橫截面面積逐漸減小，喉道30的第一端與收縮段20的第二端連接，擴張段40的第一端與喉道30的第二端連接，且擴張段40由第一端至第二端的橫截面面積逐漸增大，抽吸孔組位于收縮段20和喉道30之間，抽吸孔組包括多個第一抽吸孔10，第一抽吸孔10貫穿噴管的管壁，高超聲速靜音噴管由高超聲速靜音噴管的確定方法確定。在本實施例中，第一抽吸孔10上連接有將第一抽吸孔10抽吸的湍流邊界層引出的負壓吸氣裝置，該負壓吸氣裝置可以為吸氣管或引氣罩，也可以為吸氣泵。
[0040]優(yōu)選地，為了保證抽吸效果，使湍流邊界層能夠完全抽吸干凈，高超聲速靜音噴管保證多個抽吸孔組，多個抽吸孔組沿高超聲噴管的軸向間隔設置，且相鄰兩個抽吸孔組之間的間距為距離m。在本實施例中，多個抽吸孔組在噴管上的設置位置由交點P間隔距離m向噴管的上游延伸。多個抽吸孔組的數(shù)量根據(jù)抽吸量確定，所有抽吸孔組均設置在馬赫數(shù)在0.2至0.3的范圍內，根據(jù)確定的抽吸孔組的數(shù)量等間距設置所有抽吸孔組，以此確定距離m的大小。
[0041]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，風洞包括穩(wěn)定段、噴管和試驗段。其中，穩(wěn)定段用于對氣流進行整流；噴管連接在穩(wěn)定段的下游，并將來流加速至需要的馬赫數(shù)，該噴管為上述的噴管；試驗段連接在噴管的下游，試驗段的進口端與噴管的出口端相匹配。
[0042]從以上的描述中，可以看出，本發(fā)明上述的實施例實現(xiàn)了如下技術效果:本發(fā)明的高超聲速靜音噴管抽吸出了湍流邊界層，使得噴管壁面的層流邊界層長度更長，進而使得高超聲速靜音噴管的流場品質更好，因而提高了噴管的性能，降低了噴管的湍流度和噪聲，使得由該高超聲速靜音噴管構成的高超聲速風洞的轉捩區(qū)域、轉捩位置和轉捩雷諾數(shù)更加符合現(xiàn)實環(huán)境，偏差更小。通過在噴管上設置第一抽吸孔抽吸湍流邊界層，加工方便加工成本低，且有利于保證噴管內壁面型面曲線的連續(xù)性，避免了其它方法例如打斷抽吸帶來的氣流擾動。
[0043]以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對于本領域的技術人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種高超聲速靜音噴管的確定方法，其特征在于，包括如下步驟: 確定噴管的內壁面的型面曲線； 確定抽吸孔組內的第一抽吸孔(10)在所述噴管的內壁面的設置位置； 確定所述第一抽吸孔(10)的軸線與所述噴管的軸線的夾角α ； 確定所述第一抽吸孔(10)的截面形狀，并確定所述第一抽吸孔(10)的截面積。
2.根據(jù)權利要求1所述的高超聲速靜音噴管的確定方法，其特征在于，在確定抽吸孔組的第一抽吸孔(10)在所述噴管的內壁面的設置位置的步驟中，所述第一抽吸孔(10)在所述噴管的內壁面上的設置位置為所述第一抽吸孔(10)的軸線與所述噴管的內壁面的型面曲線的交點P，所述交點P處的馬赫數(shù)在0.2至0.3這一范圍內。
3.根據(jù)權利要求2所述的高超聲速靜音噴管的確定方法，其特征在于，所述交點P處的馬赫數(shù)為0.25。
4.根據(jù)權利要求1所述的高超聲速靜音噴管的確定方法，其特征在于，在確定所述第一抽吸孔(10)的軸線與所述噴管的軸線的夾角α的步驟中，所述夾角α的取值范圍在30度至60度之間。
5.根據(jù)權利要求4所述的高超聲速靜音噴管的確定方法，其特征在于，所述夾角α為45度。
6.根據(jù)權利要求2所述的高超聲速靜音噴管的確定方法，其特征在于，在確定所述第一抽吸孔(10)的截面形狀，并確定所述第一抽吸孔(10)的截面積的步驟中，所述第一抽吸孔(10)在第一平面上的截面形狀為橢圓形，所述第一平面為垂直于所述第一抽吸孔(10)的軸線的平面，確定所述第一抽吸孔(10)的長直徑U和所述第一抽吸孔(10)的短直徑W。
7.根據(jù)權利要求6所述的高超聲速靜音噴管的確定方法，其特征在于，所述第一抽吸孔(10)的短直徑w為所述噴管內的在交點P處的邊界層厚度的0.1倍至0.2倍，所述第一抽吸孔(10)的長直徑u為所述第一抽吸孔(10)的短直徑w的2倍至3倍。
8.根據(jù)權利要求6所述的高超聲速靜音噴管的確定方法，其特征在于，所述噴管具有多個抽吸孔組，所述多個抽吸孔組沿所述噴管的軸向間隔設置，相鄰兩個所述抽吸孔組之間間隔距離m，各所述抽吸孔組包括多個沿所述噴管的周向間隔設置的所述第一抽吸孔(10)，各所述抽吸孔組包含的所述第一抽吸孔(10)的數(shù)量k根據(jù)公式I確定， k = 公式I 其中，L為所述抽吸孔組所在處的所述噴管的內圓周長度，h為所述抽吸孔組的相鄰兩個所述第一抽吸孔(10)之間的距離，h的取值范圍為0.5倍的距離w至1.5倍的距離W。
9.一種高超聲速靜音噴管，其特征在于，包括: 收縮段(20)，所述收縮段(20)由第一端至第二端的橫截面面積逐漸減??； 喉道(30)，所述喉道(30)的第一端與所述收縮段(20)的第二端連接； 擴張段(40)，所述擴張段(40)的第一端與所述喉道(30)的第二端連接，且所述擴張段(40)由第一端至第二端的橫截面面積逐漸增大； 抽吸孔組，所述抽吸孔組位于所述收縮段(20)和所述喉道(30)之間，所述抽吸孔組包括多個第一抽吸孔(10)，所述第一抽吸孔(10)貫穿所述噴管的管壁，高超聲速靜音噴管由權利要求1至8中任一項所述的高超聲速靜音噴管的確定方法確定。
10.根據(jù)權利要求9所述的高超聲速靜音噴管，其特征在于，所述高超聲速靜音噴管包括多個抽吸孔組，所述多個抽吸孔組沿所述高超聲速靜音噴管的軸向間隔設置，相鄰兩個 所述抽吸孔組之間間距距離m。
【文檔編號】G01M9/04GK103926050SQ201410183618
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2014年4月30日 優(yōu)先權日:2014年4月30日
【發(fā)明者】李存標 申請人:北京大學