一种基于密切方法的非对称双乘波构型设计方法技术

本发明专利技术提供一种基于密切方法的非对称双乘波构型设计方法，包括步骤：S1、根据设计指标采用特征线法获得第一轴对称曲面压缩外锥流场及激波面；S2、以S1的激波面为约束，利用特征线法获得第二轴对称曲面锥及第二轴对称曲面压缩外锥流场及激波面；S3、在后缘截面内构造双密切流场，为乘波体生成提供约束；S4、利用密切方法及流线追踪法得到上乘波体；S5、利用密切方法及流线追踪法得到下乘波体；S6、将上乘波体的自由流面和下乘波体的自由流面重合并对上乘波体和下乘波体进行装配，生成非对称双乘波构型。本发明专利技术可实现乘波机体激波面、升阻比、容积率、复杂流场结构的解耦设计，适用于新型滑翔类、吸气类飞行器设计。吸气类飞行器设计。吸气类飞行器设计。

【技术实现步骤摘要】
一种基于密切方法的非对称双乘波构型设计方法


[0001]本专利技术属于空气动力学外形设计领域，具体涉及一种基于密切方法的非对称双乘波构型设计方法。

技术介绍

[0002]滑翔类及吸气式巡航类飞行器，作为飞行器两个重要的发展方向，国内外都开展了大量的研究工作。对飞行器高升阻比特性的研究一直是国内外研究人员孜孜不倦的追求，并为此开展了大量的研究工作，如：利用流线追踪、密切锥、密切轴对称流场、密切流场方法设计乘波体，均在自由流面前缘形状、激波面后缘形状确定的条件下，开展乘波体设计。基于这类方法的乘波体在零攻角附近升阻比达到最大，此时自由流面对气流不产生压缩作用，且在带攻角条件下处于背风区上表面利用率较低。
[0003]介于这种问题，国内外相关研究人员提出了完全对称的乘波体构型，即设定自由流面在水平方向上为平面，将基于此设计的乘波体沿该平面对称得到。利用这种方法设计的乘波体在零攻角下的升力为零，且上下压缩面及激波面、激波与压缩面之间的流场均完全对称，是一种强耦合设计。

技术实现思路

[0004]为了解决上述问题，本专利技术旨在提供一种基于密切方法的非对称双乘波构型设计方法，在两个头激波相同的基准流场内对上下乘波面流场进行解耦，利用密切方法对上下乘波面流场开展独立设计，获得升阻比、容积率、结构、压缩特性均满足需求的双乘波体构型。
[0005]为达到上述目的，本专利技术具有如下技术方案：一种基于密切方法的非对称双乘波构型设计方法，包括如下步骤：S1、根据非对称双乘波机体的技术指标结合来流条件，采用特征线法获得第一轴对称曲面压缩外锥流场、激波面、激波面在第一轴对称曲面锥的后缘截面内的半径；S2、以步骤S1的激波面为约束条件，根据步骤S1的来流条件，利用特征线法获得第二轴对称曲面锥及第二轴对称曲面压缩外锥流场、激波面、激波面在第二轴对称曲面锥的后缘截面内的半径；S3、在后缘截面内构造双密切流场，为乘波体生成提供约束；S4、利用密切方法及流线追踪法得到上乘波体；S5、利用密切方法及流线追踪法得到下乘波体；S6、将步骤S4的上乘波体的自由流面和步骤S5的下乘波体的自由流面重合，对步骤S4的上乘波体和步骤S5的下乘波体进行装配，生成非对称双乘波构型。
[0006]进一步的，步骤S1中，获得第一轴对称曲面压缩外锥流场、激波面、激波面在第一轴对称曲面锥的后缘截面内的半径，具体为：S11、给定来流条件，包括：静压PS0、静温TS0、总压PT0、总温TT0、来流马赫数Ma0；
S12、给定非对称双乘波机体上表面技术指标，包括：升阻比、容积率、流场压缩特性；S13、从常用的轴对称曲线类型中选择一种曲线作为第一轴对称曲面锥的曲线类型，常用的轴对称曲线类型包括：准等熵压缩、压力分布规律、马赫数分布规律、冯卡门曲线、最小阻力曲线；S14、根据步骤S11的来流条件，以步骤S12的技术指标为设计指标，步骤S13中第一轴对称曲面锥的曲线类型为约束条件，获得高度h、底部半径R1、容积V的第一轴对称曲面锥P1‑
A1B1D1；其中，P1是第一轴对称曲面锥的顶点，A1、B1、D1分别是第一轴对称曲面锥后缘截面所在曲线上任意三个不重合的点；S15、根据步骤S11的来流条件，采用特征线法数值计算方法求解得到第一轴对称曲面压缩外锥流场、激波面SW1、激波面SW1在第一轴对称曲面锥的后缘截面内的半径R2。
[0007]进一步的，步骤S2中，获得第二轴对称曲面锥及第二轴对称曲面压缩外锥流场、激波面、激波面在第二轴对称曲面锥的后缘截面内的半径，具体为：S21、给定非对称双乘波机体下表面的流场压缩特性；S22、以步骤S21的流场压缩特性为已知条件，以步骤S15的激波面SW1为约束条件，获得高度h、底部半径R3的第二轴对称曲面锥P2‑
A2B2D2；其中，P2是第二轴对称曲面锥的顶点且P2与P1重合，A2、B2、D2分别是第二轴对称曲面锥后缘截面所在曲线上的任意三个不重合的点；S23、根据步骤S11的来流条件，采用特征线法数值计算方法获得第二轴对称曲面压缩外锥流场、激波面SW2、激波面SW2在第二轴对称曲面锥的后缘截面内的半径R4；其中，激波面SW2与步骤S15中的激波面SW1是同一个激波面，但非对称双乘波机体上表面的流场压缩特性与下表面的流场压缩特性不同。
[0008]进一步的，步骤S3中，在后缘截面内构造双密切流场，具体为：S31、确定自由流面约束线；以步骤S15所述的激波面SW1与步骤S23所述的激波面SW2在后缘截面的交线AB作为自由流面约束线，AB是自由流面约束线，AB的长度是非对称双乘波机体的宽度；S32、确定激波面的非圆弧形出口型线的方程；给出激波面SW1的非圆弧形出口型线的控制方程y=f(x)，其中y=f(x)也是激波面SW2的非圆弧形出口型线的控制方程，所述控制方程y=f(x)选自S3201、S3202其中的一种：S3201、超椭圆方程，即：(1)其中，x、y分别是超椭圆方程的x轴与y轴，k
scale
是超椭圆的放大系数，φ是超椭圆的长轴与短轴之比，θ是超椭圆方程的角度，n是决定非圆弧出口型线类型的指数，当φ=1、n=2时出口型线为圆弧形，当φ>1、n=2时出口型线为长轴在x轴的椭圆弧形，当φ<1、n=2时出口型线为长轴在y轴的椭圆弧形；S3202、二次可导的“凸”形出口型线的方程；其中，出口型线的“凸”型与“凹”型根据出口型线、所述出口型线的曲率中心、自由
流面约束线的相对位置确定，当自由流面约束线位于出口型线与所述曲率中心之间的位置时，所述出口型线为“凸”型，当自由流面约束线位于出口型线与所述曲率中心的同侧位置时，所述出口型线为“凹”型；S33、在后缘截面内构造密切面，包括：S3301、得到步骤S32所述的非圆弧形出口型线上任意点C(a，b)对应的曲率中心O(m，n)和曲率半径r，所述曲率中心O(m，n)的坐标和曲率半径r分别为： (2)其中，C是所述非圆弧形出口型线上的任意点，O是所述任意点C对应的曲率中心，a、b分别是所述任意点C的横坐标和纵坐标，m、n分别是所述曲率中心O的横坐标和纵坐标，f
’
(a)是步骤S32所述控制方程y=f(x)对x的一阶导数在x=a时的值，f”(a)是控制方程y=f(x)对x的二阶导数在x=a时的值；S3302、连接所述任意点C及所述曲率中心O的直线与步骤S31所述的自由流面约束线AB相交于点A
’
，在后缘截面内得到S32所述非圆弧形出口型线上过任意点C与曲率中心O的密切面OA
’
C；其中，C是所述非圆弧形出口型线上的任意点，O是所述任意点C对应的曲率中心，A
’
是连接任意点C及曲率中心O的直线与自由流面约束线AB的交点；S34、以激波面SW1的非圆弧形出口型线及自由流面约束线AB为条件，在后缘截面内构建上乘波体密切流场，包括：S3401、在激波面SW1的非圆弧形出口型线上任取一点C
i
，通过步骤S33得到上乘波体的第i个密切面O
i
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于密切方法的非对称双乘波构型设计方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、根据非对称双乘波机体的技术指标结合来流条件，采用特征线法获得第一轴对称曲面压缩外锥流场、激波面、激波面在第一轴对称曲面锥的后缘截面内的半径；S2、以步骤S1的激波面为约束条件，根据步骤S1的来流条件，利用特征线法获得第二轴对称曲面锥及第二轴对称曲面压缩外锥流场、激波面、激波面在第二轴对称曲面锥的后缘截面内的半径；S3、在后缘截面内构造双密切流场，为乘波体生成提供约束；S4、利用密切方法及流线追踪法得到上乘波体；S5、利用密切方法及流线追踪法得到下乘波体；S6、将步骤S4的上乘波体的自由流面和步骤S5的下乘波体的自由流面重合，对步骤S4的上乘波体和步骤S5的下乘波体进行装配，生成非对称双乘波构型。2.根据权利要求1所述的一种基于密切方法的非对称双乘波构型设计方法，其特征在于，所述步骤S1中获得第一轴对称曲面压缩外锥流场、激波面、激波面在第一轴对称曲面锥的后缘截面内的半径，具体为：S11、给定来流条件，包括：静压PS0、静温TS0、总压PT0、总温TT0、来流马赫数Ma0；S12、给定非对称双乘波机体上表面技术指标，包括：升阻比、容积率、流场压缩特性；S13、从常用的轴对称曲线类型中选择一种曲线作为第一轴对称曲面锥的曲线类型，常用的轴对称曲线类型包括：准等熵压缩、压力分布规律、马赫数分布规律、冯卡门曲线、最小阻力曲线；S14、根据步骤S11的来流条件，以步骤S12的技术指标为设计指标，步骤S13中第一轴对称曲面锥的曲线类型为约束条件，获得高度h、底部半径R1、容积V的第一轴对称曲面锥P1‑
A1B1D1；其中，P1是第一轴对称曲面锥的顶点，A1、B1、D1分别是第一轴对称曲面锥后缘截面所在曲线上任意三个不重合的点；S15、根据步骤S11的来流条件，采用特征线法数值计算方法求解得到第一轴对称曲面压缩外锥流场、激波面SW1、激波面SW1在第一轴对称曲面锥的后缘截面内的半径R2。3.根据权利要求2所述的一种基于密切方法的非对称双乘波构型设计方法，其特征在于， 所述步骤S2中获得第二轴对称曲面锥及第二轴对称曲面压缩外锥流场、激波面、激波面在第二轴对称曲面锥的后缘截面内的半径，具体为：S21、给定非对称双乘波机体下表面的流场压缩特性；S22、以步骤S21的流场压缩特性为已知条件，以步骤S15的激波面SW1为约束条件，获得高度h、底部半径R3的第二轴对称曲面锥P2‑
A2B2D2；其中，P2是第二轴对称曲面锥的顶点且P2与P1重合，A2、B2、D2分别是第二轴对称曲面锥后缘截面所在曲线上的任意三个不重合的点；S23、根据步骤S11的来流条件，采用特征线法数值计算方法获得第二轴对称曲面压缩外锥流场、激波面SW2、激波面SW2在第二轴对称曲面锥的后缘截面内的半径R4；其中，激波面SW2与步骤S15中的激波面SW1是同一个激波面，但非对称双乘波机体上表面的流场压缩特性与下表面的流场压缩特性不同。4.根据权利要求3所述的一种基于密切方法的非对称双乘波构型设计方法，其特征在
于，所述步骤S3中在后缘截面内构造双密切流场，具体为：S31、确定自由流面约束线；以步骤S15所述的激波面SW1与步骤S23所述的激波面SW2在后缘截面的交线AB作为自由流面约束线，AB是自由流面约束线，AB的长度是非对称双乘波机体的宽度；S32、确定激波面的非圆弧形出口型线的方程；给出激波面SW1的非圆弧形出口型线的控制方程y=f(x)，其中y=f(x)也是激波面SW2的非圆弧形出口型线的控制方程，所述控制方程y=f(x)选自S3201、S3202其中的一种：S3201、超椭圆方程，即：(1)其中，x、y分别是超椭圆方程的x轴与y轴，k
scale
是超椭圆的放大系数，φ是超椭圆的长轴与短轴之比，θ是超椭圆方程的角度，n是决定非圆弧出口型线类型的指数，当φ=1、n=2时出口型线为圆弧形，当φ>1、n=2时出口型线为长轴在x轴的椭圆弧形，当φ<1、n=2时出口型线为长轴在y轴的椭圆弧形；S3202、二次可导的“凸”形出口型线的方程；其中，出口型线的“凸”型与“凹”型根据出口型线、所述出口型线的曲率中心、自由流面约束线的相对位置确定，当自由流面约束线位于出口型线与所述曲率中心之间的位置时，所述出口型线为“凸”型，当自由流面约束线位于出口型线与所述曲率中心的同侧位置时，所述出口型线为“凹”型；S33、在后缘截面内构造密切面，包括：S3301、得到步骤S32所述的非圆弧形出口型线上任意点C(a，b)对应的曲率中心O(m，n)和曲率半径r，所述曲率中心O(m，n)的坐标和曲率半径r分别为：(2)其中，C是所述非圆弧形出口型线上的任意点，O是所述任意点C对应的曲率中心，a、b分别是所述任意点C的横坐标和纵坐标，m、n分别是所述曲率中心O的横坐标和纵坐标，f
’
(a)是步骤S32所述控制方程y=f(x)对x的一阶导数在x=a时的值，f”(a)是控制方程y=f(x)对x的二阶导数在x=a时的值；S3302、连接所述任意点C及所述曲率中心O的直线与步骤S31所述的自由流面约束线AB相交于点A
’
，在后缘截面内得到S32所述非圆弧形出口型线上过任意点C与曲率中心O的密切面OA
’
C；其中，C是所述非圆弧形出口型线上的任意点，O是所述任意点C对应的曲率中心，A
’
是连接任意点C及曲率中心O的直线与自由流面约束线AB的交点；S34、以激波面SW1的非圆弧形出口型线及自由流面约束线AB为条件，在后缘截面内构建上乘波体密切流场，包括：S3401、在激波面SW1的非圆弧形出口型线上任取一点C
i
，通过步骤S33得到上乘波体的
第i个密切面O
i
A
i
’
C
i
；其中，C
i
是激波面SW1的非圆弧形出口型线上的第i点，O
i
是C
i
点对应的曲率中心，A
i
’
是连接点C
i
及曲率中心O
i
的直线与自由流面约束线AB的交点，i=1、2、
……
、N，N为正整数且N大于1；S3402、遍历激波面SW1的非圆弧形出口型线上所有点C
i
，得到上乘波体的一系列密切面O
i
A
i
’
C
i
；S3403、上乘波体的所有密切面O
i
A
i
’
C
i
组合，构成上乘波体密切流场；S35、以激波面SW2的非圆弧形出口型线及自由流面约束线AB为条件，在后缘截面内构建下乘波体密切流场，包括：S3501、在激波面SW2的非圆弧形出口型线上任取一点C
i
，通过步骤S33得到下乘波体的第i个密切面O
i
A
i
’
C
i
；其中，C
i
是激波面SW2的非圆弧形出口型线上的第i点，O
i
是C
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点对应的曲率中心，A
i
’
是连接点C
i
及曲率中心O
i
的直线与自由流面约束线AB的交点，i=1、2、
……
、N，N为正整数且N大于1；S3502、遍历激波面SW2的非圆弧形出口型线上所有点C
i
，得到下乘波体的一系列密切面O
i
A
i
’
C
i
；S3503、下乘波体的所...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴颖川，卫锋，李姝源，王琪，丛戎飞，刘建霞，丁智坚，周正，
申请(专利权)人：中国空气动力研究与发展中心空天技术研究所，
类型：发明
国别省市：