專利名稱：一種高超聲速噴管多階連續(xù)氣動(dòng)型面的確定方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高超聲速噴管多階連續(xù)氣動(dòng)型面的確定方法，屬于流體動(dòng)力技術(shù) 領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
噴管型面設(shè)計(jì)方法最先由普朗特(Prandtl)和貝斯曼(Busemann)提出，他們依據(jù) 特征線方法完成了圖解法，為噴管型面設(shè)計(jì)技術(shù)打下基礎(chǔ)。稍后，派克特(Puckett)將圖解 法修改為半圖解法。該方法設(shè)計(jì)噴管需要大量精確的繪圖工作，同時(shí)還含有未定量的誤差， 尤其當(dāng)圖線接近對(duì)稱軸的時(shí)候更加明顯，設(shè)計(jì)過(guò)程枯燥且復(fù)雜。為解決圖解法設(shè)計(jì)噴管的 弊端，噴管設(shè)計(jì)方法經(jīng)過(guò)了一系列的改進(jìn)，如解析法，經(jīng)驗(yàn)公式法、半理論半經(jīng)驗(yàn)公式法，分 析設(shè)計(jì)法等。現(xiàn)常采用的噴管設(shè)計(jì)技術(shù)方案主要有兩種，F(xiàn)oelsch設(shè)計(jì)法和Cresci設(shè)計(jì)法。
Foelsch繼承前人的思想，提出了噴管的解析設(shè)計(jì)法，該方法是一種近似簡(jiǎn)化的方 法，噴管外形坐標(biāo)可以由兩個(gè)簡(jiǎn)單方程迅速求出。其主要思想是通過(guò)假定在轉(zhuǎn)折點(diǎn)區(qū)域的 流動(dòng)是源流而簡(jiǎn)化型面的計(jì)算。源流下游的邊界是轉(zhuǎn)折點(diǎn)發(fā)出到對(duì)稱軸上的特征線。沿著 這條特征線流動(dòng)參數(shù)很容易計(jì)算出來(lái)；并且因?yàn)樵谠戳鲄^(qū)域的下游的所有左行特征線都是 直的，下游的全部型線可以通過(guò)解析的方法決定出。在轉(zhuǎn)折點(diǎn)的上游，通過(guò)采用一個(gè)簡(jiǎn)單的 經(jīng)驗(yàn)曲線(圓弧加直線或三次曲線)，使得源流可以產(chǎn)生。其示意圖如

圖1所示。
Cresci設(shè)計(jì)法也采用源流假設(shè)，通過(guò)在源流的下游區(qū)域引進(jìn)一個(gè)過(guò)渡區(qū)獲得連續(xù) 的曲率型線。在轉(zhuǎn)折點(diǎn)的上游，采用一條三次曲線使得源流產(chǎn)生，同時(shí)轉(zhuǎn)折點(diǎn)下游型線舍棄 Foelsch法采用的近似的解析解，而是通過(guò)已知邊界條件，建立特征線網(wǎng)格，根據(jù)質(zhì)量守恒 原理確定型面坐標(biāo)。其示意圖如圖2所示。
現(xiàn)有的技術(shù)中，F(xiàn)oelsch設(shè)計(jì)方法型面曲率的不連續(xù)會(huì)影響流場(chǎng)品質(zhì)且不適合撓 性噴管的設(shè)計(jì)。Cresci設(shè)計(jì)方法雖然可以獲得連續(xù)曲率的型面，但轉(zhuǎn)折點(diǎn)前的曲線是經(jīng)驗(yàn) 曲線。選擇的經(jīng)驗(yàn)曲線不一定能保證源流的形成或者源流區(qū)域很小，從而影響特征線參數(shù) 的求取及消波區(qū)中消除膨脹波效果，最終的流場(chǎng)品質(zhì)有所下降。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種高超聲速噴管多階連續(xù)氣動(dòng)型 面的確定方法，克服現(xiàn)有技術(shù)在噴管設(shè)計(jì)中型面曲率不連續(xù)和需要選擇經(jīng)驗(yàn)曲線來(lái)完成噴 管設(shè)計(jì)的問(wèn)題，完全通過(guò)計(jì)算獲取多階連續(xù)曲率的噴管型面。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案
一種高超聲速噴管多階連續(xù)氣動(dòng)型面的確定方法，包括如下步驟
(I)建立坐標(biāo)系，以噴管入口和出口中心點(diǎn)的連線為X軸，噴管出口的方向?yàn)閄軸 的正方向，以過(guò)喉道頂點(diǎn)T垂直于X軸的直線為y軸，喉道頂點(diǎn)T位于y軸的正半軸上，X軸 和I軸的交點(diǎn)為原點(diǎn)0，
G點(diǎn)和A點(diǎn)為所述高超聲速噴管多階連續(xù)氣動(dòng)型面上的點(diǎn)，A點(diǎn)位于G點(diǎn)和D點(diǎn)之間，D為噴管出口點(diǎn)，T、G、A、D四點(diǎn)的橫坐標(biāo)值依次增大，其中D點(diǎn)為噴管型面上橫坐標(biāo)值最大的點(diǎn)，E點(diǎn)、B點(diǎn)和C點(diǎn)均為X軸上的點(diǎn)，且E點(diǎn)、B點(diǎn)和C點(diǎn)的坐標(biāo)依次增大；
(2)確定邊界右行特征線TI的參數(shù)，I為X軸上的點(diǎn)，具體為
(2.1)通過(guò)公式一"
權(quán)利要求
1.一種高超聲速噴管多階連續(xù)氣動(dòng)型面的確定方法，其特征在于，包括如下步驟(1)建立坐標(biāo)系，以噴管入口和出口中心點(diǎn)的連線為X軸，噴管出口的方向?yàn)閄軸的正方向，以過(guò)喉道頂點(diǎn)T垂直于X軸的直線為y軸，喉道頂點(diǎn)T位于y軸的正半軸上,X軸和y 軸的交點(diǎn)為原點(diǎn)0，G點(diǎn)和A點(diǎn)為所述高超聲速噴管多階連續(xù)氣動(dòng)型面上的點(diǎn)，A點(diǎn)位于G點(diǎn)和D點(diǎn)之間， D為噴管出口點(diǎn)，T、G、A、D四點(diǎn)的橫坐標(biāo)值依次增大，其中D點(diǎn)為噴管型面上橫坐標(biāo)值最大的點(diǎn)，E點(diǎn)、B點(diǎn)和C點(diǎn)均為X軸上的點(diǎn)，且E點(diǎn)、B點(diǎn)和C點(diǎn)的坐標(biāo)依次增大；(2)確定邊界右行特征線TI的參數(shù)，I為X軸上的點(diǎn)；(3)計(jì)算源流區(qū)馬赫數(shù)為I的圓的半徑F1；(4)確定邊界IE的參數(shù)；(5)確定特征線EG的參數(shù)；(6)確定特征線AB的參數(shù)；(7)確定邊界BC的參數(shù)；(8)確定邊界CD的參數(shù)；(9)在確定邊界條件T1、IE、EG、AB、BC、⑶之后，建立特征線網(wǎng)格，特征線網(wǎng)格TIEG由 E點(diǎn)出發(fā)，向上游推進(jìn)建立，特征線網(wǎng)格ABCD由B點(diǎn)出發(fā)，向下游推進(jìn)建立，然后由質(zhì)量守恒原理確定出無(wú)粘型面坐標(biāo)；(10)通過(guò)公式
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高超聲速噴管多階連續(xù)氣動(dòng)型面的確定方法，其特征在于所述步驟(2)確定邊界右行特征線TI的參數(shù)，具體為步驟如下
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高超聲速噴管多階連續(xù)氣動(dòng)型面的確定方法，其特征在于所述步驟(3)中計(jì)算源流區(qū)馬赫數(shù)為I的圓的半徑A具體為通過(guò)公式
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高超聲速噴管多階連續(xù)氣動(dòng)型面的確定方法，其特征在于所述步驟(4)中確定邊界工E的參數(shù)，通過(guò)如下步驟進(jìn)行(4.1)令邊界IE的速度分布滿足w = CfC1 ζ+C2C 2+(3ζ3+(；ζ4，其中，w為速度比， ζ = (X-X1)/ (Xe-Xi)，X1為I點(diǎn)的橫坐標(biāo)，Xe為E點(diǎn)的橫坐標(biāo)，X為X1和Xe之間的任一點(diǎn)的橫坐標(biāo)，四次多項(xiàng)式的系數(shù)C。 C4依次為
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高超聲速噴管多階連續(xù)氣動(dòng)型面的確定方法，其特征在于所述步驟(5)中確定特征線EG的參數(shù)，具體為步驟如下(5.1)令G點(diǎn)的預(yù)設(shè)氣流角Qe為最大膨脹角，將最大膨脹角分成K份，則分成K份之后，特征線EG上每點(diǎn)的氣流角為已知，K為正整數(shù)；(5. 2)根據(jù)公式V-Ve = ( O +1) Θ計(jì)算得到氣流角Θ所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)的普朗特-梅耶角V, 其中，Ve為E點(diǎn)的普朗特-梅耶角，可通過(guò)預(yù)設(shè)的E點(diǎn)的馬赫數(shù)計(jì)算得到；(5.3)根據(jù)步驟(5.2)中得到的所述氣流角Θ所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)的普朗特-梅耶角V，計(jì)算得到該點(diǎn)的馬赫數(shù)M ；(5. 4)通過(guò)公式
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高超聲速噴管多階連續(xù)氣動(dòng)型面的確定方法，其特征在于所述步驟(6)中確定特征線AB的參數(shù)，具體為步驟如下(6.1)令A(yù)點(diǎn)的預(yù)設(shè)氣流角ΘΑ為最大膨脹角，且ΘΑ= 將最大膨脹角分成K份，則分成K份之后，特征線AB上每點(diǎn)的氣流角為已知，K為正整數(shù)；(6. 2)根據(jù)公式Vb-V = ( O +1) Θ計(jì)算得到氣流角Θ所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)的普朗特-梅耶角V, 其中，Vb為B點(diǎn)的普朗特-梅耶角，可通過(guò)預(yù)設(shè)的B點(diǎn)的馬赫數(shù)計(jì)算得到；(6.3)根據(jù)步驟(6.2)中得到的所述氣流角Θ所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)的普朗特-梅耶角V，計(jì)算得到該點(diǎn)的馬赫數(shù)M ;(6. 4)通過(guò)公式
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高超聲速噴管多階連續(xù)氣動(dòng)型面的確定方法，其特征在于所述步驟(7)中確定邊界BC的參數(shù)，通過(guò)如下步驟進(jìn)行(7.1)令邊界BC的速度分布滿足M = DQ+DJ+D2€2+DJ3+DJ4，其中，M為馬赫數(shù)，ξ =(X-Xb)/ (Xc-Xb)，Xb為B點(diǎn)的橫坐標(biāo)，Xc為C點(diǎn)的橫坐標(biāo)，X為Xb和Xc之間的任一點(diǎn)的橫坐標(biāo)，四次多項(xiàng)式的系數(shù)Dtl D4依次為 = Mb, D1 = XcMb/，D1 = X2cMl/2,D3 = 4 (Mc-D0) -Mc' Xc-3D「2D2，D4 = -3 (Mc-D0) +Mc' XC+2D1+D2 ；其中B點(diǎn)的馬赫數(shù)Mb、馬赫數(shù)的一階導(dǎo)數(shù)Mb'和二階導(dǎo)數(shù)M"由面積比和馬赫數(shù)之間的關(guān)系式求出等于設(shè)計(jì)馬赫數(shù)Md ；通過(guò)公式
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高超聲速噴管多階連續(xù)氣動(dòng)型面的確定方法，其特征在于所述步驟(8)確定邊界CD的參數(shù)，具體為CD為直特征線，特征線上的馬赫數(shù)為設(shè)計(jì)馬赫數(shù)MD，氣流角為0，CD的傾斜角為出口馬赫數(shù)的馬赫角，即得到CD的斜率，則得到CD直線方程，即得到了⑶上的點(diǎn)的坐標(biāo)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種高超聲速噴管多階連續(xù)氣動(dòng)型面的確定方法，給定噴管出口參數(shù)，通過(guò)計(jì)算出邊界條件，建立特征線網(wǎng)格，計(jì)算通過(guò)特征線的流量，利用質(zhì)量守恒原理得到噴管型面曲線，再計(jì)算出各點(diǎn)處附面層位移厚度，無(wú)粘型面加上附面層位移厚度，即得到噴管的物理型面，根據(jù)本發(fā)明方法設(shè)計(jì)的噴管，不僅可以保證氣動(dòng)型面的多階連續(xù)，且沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)公式的影響，噴管出口氣流均勻分布。
文檔編號(hào)G06F19/00GK102999697SQ201210472580
公開(kāi)日2013年3月27日 申請(qǐng)日期2012年11月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月20日
發(fā)明者王鐵進(jìn), 黃炳修, 賈英勝, 孫勇堂, 崔春, 石運(yùn)軍 申請(qǐng)人:中國(guó)航天空氣動(dòng)力技術(shù)研究院