[发明专利]一种大尺寸低噪声喷管设计方法

权利要求书

1.一种大尺寸低噪声喷管设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤(一)设计膨胀段结构；所述膨胀段包括沿轴向依次连接的膨胀段左行特征线区域(1)，源流区域(2)，膨胀段右行特征线区域(3)，和设于膨胀段右行特征线区域(3)中的多孔界面吸波区域(4)；所述膨胀段右行特征线区域(3)远离源流区域(2)的一端为喷管的出口端；所述多孔界面吸波区域(4)包含多孔微结构，多孔界面吸波区域(4)与膨胀段右行特征线区域(3)的曲线相同；

步骤(二)根据设计需求确定膨胀段设计参数的初始值，利用特征线法，确定膨胀段左行特征线区域(1)和膨胀段右行特征线区域(3)的无黏曲线；

步骤(三)使源流区域(2)平滑连接膨胀段左行特征线区域(1)和膨胀段右行特征线区域(3)；

步骤(四)设计收缩段结构，所述收缩段结构包括收缩段主体(5)和设于收缩段主体(5)与膨胀段左行特征线区域(1)之间的抽吸槽(6)；

步骤(五)根据移轴Witoszynski公式，设计收缩段主体(5)的曲线；

步骤(六)利用特征线法，确定抽吸槽(6)的曲线；

步骤(七)将膨胀段和收缩段整体装配，所述膨胀段和收缩段曲线连接为喷管无黏型线；

步骤(八)采用基于卡门动量积分方程方法对喷管无黏型线进行边界层修正，修正后型线为喷管初始型线；

步骤(九)采用大涡模拟和直接数值模拟方法确定孔界面吸波区域(4)所含多孔微结构的尺寸参数；

步骤(十)基于e^N方法，顺压梯度效应和直接数值模拟方法校对喷管初始型线对应的喷管边界层状态，并根据喷管的边界层状态修正膨胀段设计参数，对步骤(二)到步骤(九)进行迭代，直至边界层状态为层流。

2.根据权利要求1所述的一种大尺寸低噪声喷管设计方法，其特征在于，所述膨胀段设计参数包括膨胀段右行特征线区域(3)左端的马赫数和气流偏转角，以及左行特征线区域(1)右端的马赫数和气流偏转角。

3.根据权利要求1所述的一种大尺寸低噪声喷管设计方法，其特征在于，所述步骤(一)中，多孔界面吸波区域(4)包含的多孔微结构为槽道构型或圆柱微腔构型；所述槽道构型中，多个槽道沿槽道宽度方向排列；所述圆柱微腔构型中，多个圆柱微腔沿垂直于微腔深度方向的平面排列；所述槽道的深度方向和圆柱微腔的深度方向垂直于多孔界面吸波区域(4)壁面；所述多孔微结构的尺寸参数包括槽道的宽度或圆柱微腔的直径d，槽道或圆柱微腔的深度H以及多孔微结构的开孔率s。

4.根据权利要求3所述的一种大尺寸低噪声喷管设计方法，其特征在于，所述步骤(九)中，采用大涡模拟和直接数值模拟方法确定孔界面吸波区域(4)所含多孔微结构尺寸参数的方法为：

根据多孔微结构的尺寸参数得到多孔微结构导纳χ的公式，

其中，Z₀为边界层外流场的特征阻抗，ρ_e和u_e分别是边界层外流场的密度和速度，动态密度动态压缩系数ρ_w和p_w分别是孔界面吸波区域(4)壁面处密度和压力，γ为喷管中的气体比热比，k为声波传播常数；

对于槽道构型，对于圆柱微腔构型，Q为贝塞尔函数；无量纲参数其中Pr为普朗特数，特征长度b＝1/2d，μ是气体的黏性系数，i代表复数的虚部，ω为气体运动过程中的波动频率；

采用大涡模拟和直接数值模拟方法得到边界层状态为层流时多孔微结构导纳χ的值，将所得多孔微结构导纳χ的值带入根据多孔微结构的尺寸参数得到多孔微结构导纳χ的公式中，得到多孔微结构的尺寸参数。

5.根据权利要求4所述的一种大尺寸低噪声喷管设计方法，其特征在于，所述Q为贝塞尔函数，Q(x)＝2J₁(x)/xJ₀(x)，J₀为第一类0阶贝塞尔函数，J₁为第一类1阶贝塞尔函数。