[发明专利]一种自适应高焓型面喷管的设计方法

说明书

本发明公开了一种自适应高焓型面喷管的设计方法，属于高焓激波风洞试验领域。本发明采用分段设计、整体装配的思路生成喷管型面，针对高焓流动中经历的热化学平衡、热化学非平衡流动和冻结流动的三个过程，分别设计由收缩段、喉道和无黏膨胀段组成的各部分曲线，然后缝合成光滑无黏曲线，再对光滑无黏曲线进行边界层修正，对生成的高焓型面喷管完整曲线进行数值验证后完成高焓型面喷管的型线设计。该方法不仅仅显著提高喷管型线优化效率，节约计算成本；同时有效抑制高焓喷管厚边界层所引起的流动畸变，以及非设计状态下的喷管流动流场扰动。

技术领域

本发明涉及自适应高焓型面喷管的设计方法，属于高焓激波风洞试验领域。

背景技术

高焓激波风洞是研究高温真实气体效应主要的地面模拟设备之一，具备模拟超高速流动的能力。高温高压条件下，喷管驻室试验气体发生离解甚至电离，试验气体流过喷管时，流动现象非常复杂，经历喉道上游的热化学平衡流动、喉道附近的热化学非平衡流动和喉道下游的冻结流动等三个过程。常规特征线设计的喷管，没有考虑试验气体化学反应的影响，没有考虑比热比γ的变化，使得气流流过喷管发生流动畸变。如果采用直接设计方法，任务量大，计算成本高，在非设计状态喷管流场扰动严重。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种自适应高焓型面喷管的设计方法，提高高焓喷管的模拟范围和能力。

为解决上述技术问题，本发明公开了一种自适应高焓型面喷管的设计方法，所述高焓型面喷管由收缩段、喉道和无黏膨胀段组成，包括如下步骤：

(1)首先建立坐标系，然后根据高焓激波风洞尺寸和模拟条件，确定喷管驻室总温和总压驻室条件，以确定高焓型面喷管的入口尺寸、喉道尺寸和出口尺寸；

(2)根据喉道尺寸和喷管的最大膨胀角θ，设计一个锥形喷管；

(3)设计形成初始收缩段曲线；

(4)根据喷管驻室总温和总压驻室条件，经过数值计算，确定喷管流动过程中冻结点的位置和比热比γ；

(5)设计形成初始无黏膨胀段曲线；

(6)连接初始收缩段曲线和初始无黏膨胀段曲线，进行边界层修正后，生成初始的高焓型面喷管完整曲线；

(7)对步骤(6)生成的初始的高焓型面喷管完整曲线进行数值验证后，完成高焓型面喷管的型线设计。

上述本发明的这种自适应高焓型面喷管的设计方法中，所述无黏膨胀段由三部分组成，第一段TA为三次曲线或者圆弧曲线，第二段AB为圆锥曲线，第三段BC为消波段曲线。

上述本发明的这种自适应高焓型面喷管的设计方法中，所述步骤(2)中，最大膨胀角θ角度一般为5°～15°。

上述本发明的这种自适应高焓型面喷管的设计方法中，所述步骤(2)中，所述的锥形喷管的第一段和第二段均与高焓型面喷管相同，锥形喷管第三段为圆锥曲线，与第二段斜率相同。

上述本发明的这种自适应高焓型面喷管的设计方法中，所述步骤(2)中，所述的锥形喷管的第一段为圆弧曲线或者三次曲线。

上述本发明的这种自适应高焓型面喷管的设计方法中，所述步骤(2)中，所述的锥形喷管的第一段为三次曲线，段任一点可由下列式(a)三次曲线确定：

上述本发明的这种自适应高焓型面喷管的设计方法中，所述步骤(3)中，所述初始收缩段曲线MT为“凹”曲线，曲线的二阶导数不小于0，可为直线加圆弧构型，或者采用圆锥曲线和圆弧连接构型，或者为圆弧构型。