[发明专利]非对称超声速喷管及其设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及流体动力领域，具体而言，涉及一种非对称超声速喷管及其设计方法。

背景技术

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的马赫数和流动方向角分布的超声速气流。

非对称喷管是一种特殊的超声速/高超声速喷管，其特点是收缩扩张的两壁为非对称的，气流在弯曲的管道内膨胀加速，且入口和出口方向可能有一定的夹角。这种喷管具有良好的几何适应性，可广泛用于受限空间内超声速/高超声速流场的生成与控制。

虽然目前已有多种较为成熟的二维或轴对称喷管设计方法，可以获取较高的出口流场品质，但由于非对称喷管的特殊性，已有方法不能直接扩展到非对称型面曲线的设计中。其面临的主要问题包括以下几个方面：一是泉流区假设不再成立；二是缺少成熟的非对称消波技术，无法保证流场品质；三是基于线性修正的边界层修正方法不再合适。

专著《超声速自由旋涡气动窗口及其光学质量》(易仕和等，国防科技大学出版社，2005年)提出了基于最短长度喷管(MLN)的分区求解的自由旋涡喷管设计方法(一种典型非对称喷管)，该方法设计过程如下：

1.采用MLN设计方法得到一个对称喷管型面曲线。

2.提取MLN喷管出口边界的流动参数，作为非对称段的入口边界条件。

3.将非对称段分为均匀流区、简单波区和非简单波区等几个区域。

4.利用自由旋涡关系式、普朗特-迈耶关系式和质量守恒关系确定非对称区的壁面曲线。

采用该方法能够得到所需要的自由旋涡喷管型面曲线，数值验证结果表明，所设计的喷管型面基本能够生成所需要的自由旋涡流场。

在某些对工作效率要求不高的设备中，非对称喷管可以使用经验曲线来设计。某些冲压发动机尾喷管也属于非对称喷管，其目标是实现最大推力，而不关心流场结构的细节。随着现代计算机技术的发展，基于CFD优化算法的气动外形设计技术也可以应用到非对称喷管设计中。

基于MLN分区求解的方法缺少适应性，目前只能用于设计自由旋涡喷管。这类喷管要包含MLN的菱形区，所设计出的喷管长度过长。对非对称壁面未做粘性修正，难以准确评估吸附面层效应带来的流场结构变化。MLN膨胀过快，本身精度不高，不适合设计高马赫数喷管。

基于经验曲线的非对称喷管设计方法，喷管出口马赫数和流动方向角等参数无法按照要求进行设计。

基于CFD优化算法的非对称喷管设计技术，计算量非常大，设计效率较低，且精度并未得到太大改善。

发明内容

本发明旨在提供一种非对称超声速喷管及其设计方法，可以减少或消除非对称超声速喷管的流场内的集中压缩波，大大改善喷管流场品质，提高设备性能，节省研究经费。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种非对称超声速喷管设计方法，其特征在于，包括：根据入口坐标和喉部面积确定亚声速段曲线；根据亚声速段曲线和喉部曲率半径确定跨声速区内的初始特征线；根据初始特征线的一个端点和相应的超声速区出口端点确定第一侧壁面曲线；根据初始特征线和第一侧壁面曲线的马赫数分布通过质量守恒和特征线法确定第二侧壁面曲线。

进一步地，特征线法迭代公式为：

其中，x为横坐标，r为纵坐标，θ为当地流动方向角，M为当地马赫数且M＞1，δ为流动类型参数，对于二维流动δ＝0，轴对称流动δ＝1，r≠0，γ为气体的定压比热与定容比热的比热比。

进一步地，在确定第二侧壁面曲线之后还包括：采用动量积分关系式的参考温度解法求解边界层位移厚度，进行边界层修正，得到实际使用的壁面曲线，动量积分关系式为：