[发明专利]一种计算高超声速风洞轴对称喷管内型面的方法

说明书

本发明公开了一种计算高超声速风洞轴对称喷管内型面的方法，包括以下步骤：步骤一、给定初始条件参数；步骤二、计算轴对称喷管的亚声速型面坐标；步骤三、计算轴对称喷管的超声速型面坐标，包括：计算喉道区型面参数计算；沿径向流波前气流参数计算；转换区中心线上的马赫数分布计算；消波区参数计算；利用轴对称特征线网格计算型面；计算轴对称喷管壁面坐标；步骤四、对轴对称喷管的超声速段位流型面附面层进行修正计算。通过本方法设计的喷管型面，流场所际需要的马赫数较一致，喷管出口马赫数分布均匀，并且能比较方便的采用MATLAB软件编程实现，快速的得出型面坐标，在计算轴对称喷管型面时具有普适性。

技术领域

本发明属于流体力学技术领域，更具体地说，本发明涉及一种计算高超声速风洞轴对称喷管内型面的方法。

背景技术

轴对称喷管的气动设计主要包括两部分：位流型面(亚音速段和超音速段)和超音速位流型面附面层修正。位流又分为三个区域：第一区域是亚音速区；第二个区域是由喉道到拐点的喉道区；第三个区域是由拐点到喷管出口的转换区。

在喉道，外形由单调递增的三次曲线给出。在转换区，外形主要由Cresci方法计算，如图1所示，假定流动从0′源点出发，沿径向流一直膨胀到波前AB，在拐点A处具有最大膨胀角—半锥角θ_A的锥形流。CE下游是均匀平行流区，在ABCE区域中流动由径向流过渡到平行流，利用波前AB和BC上的已知条件，用轴对称特征线网格计算。最后得到TE位流型面。

在给定θ_A的值，如果B、C重合，这样得到最短喷管。不过在这样的喷管中，沿轴向马赫数梯度在B点不连续，其曲率半径在拐点处不连续，理论上，曲率不连续会导致在做附面层修正时喷管的附面层为负；如曲率是连续的，附面层的增长也就是光滑的，况且，即使附面层增长被准确计算出来，其喷管型面的粘性修正也只是针对设计运转条件的，那么修正量也只有在计运转条件下才能够应用到非粘性外形上去，所以离开设计运转条件，附面层增长的偏差将产生不连续，这些不连续将顺着喷管因机械加工不光滑的地方向下移动，从而导致试验段的流动中存在扰动。若外形有连续的曲率，这些设计运转条件就可以减弱一些。

发明内容

本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种计算高超声速风洞轴对称喷管内型面的方法，包括以下步骤：

步骤一、给定内型面的初始条件参数，利用初始条件参数进行轴对称喷管内型面计算；轴对称喷管内型面计算主要包括位流型面计算和超声速位流型面附面层修正；其中位流型面又包括：亚音速段型面和超声速段型面；流经喷管内型面的位流包括：亚音速区、从喉道到拐点的喉道区和从拐点到喷管出口的转换区；

步骤二、计算轴对称喷管的亚声速型面坐标；

步骤三、计算轴对称喷管的超声速型面坐标，包括：计算喉道区型面参数计算；沿径向流波前气流参数计算；转换区中心线上的马赫数分布计算；消波区参数计算；利用轴对称特征线网格计算型面；计算轴对称喷管壁面坐标；

步骤四、对轴对称喷管的超声速段位流型面附面层进行修正计算。

优选的是，其中，所述步骤一中给定的初始条件参数包括：型面马赫数M，喷管入口高度Y_in，喷管出口高度Y_in，喷管长度L，型面马赫角α，喷管壁面总压强P₀，喷管壁面总温度T₀，亚声速段移轴后的喷管进出口半径高度比n，喷管壁温T_w；同时在喷管上引入转换区，标记为ABCD；喉道区型面标记为TA；消波区，标记为BCE。

优选的是，其中，所述步骤二中计算轴对称喷管亚声速型面坐标的方法包括以下步骤：

采用维托辛斯基公式计算亚声速端型面，计算按以下公式进行：