【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及风洞喷管，具体涉及一种基于初始膨胀段壁面马赫数分布的喷管短化设计方法。
技术介绍
1、风洞喷管可为风洞试验提供高品质超声速来流，其壁面型线的设计直接关系到风洞试验流场的品质，是整个风洞设计的关键。受粘性影响，超声速喷管壁面边界层的厚度随着长度的增加，在高马赫数工况下，甚至会达到出口半径的一半，对流场品质、结构重量和加工精度带来的较大影响；然而，过短的长度难以确保出口流场的均匀性。为此，需要发展相应的设计方法平衡风洞喷管短化和出口流场均匀性的问题。由气动原理可知，目前只能通过缩短喷管核心区长度实现这一目标。
2、传统风洞喷管设计方法包括直接设计膨胀段型线、使用源流区近似计算、圆弧加直线方法近似等。其中busemann是典型的直接设计膨胀段型线法，该方法根据经验使用一系列斜率逐渐增大的折线代替膨胀段曲线，每一个转折处发出膨胀波、在喷管轴线或曲线壁面上的反射波彼此相交后得到波线，所有折线依次连接形成连续光滑喷管型线。但该方法有以下几个缺点：
3、1）该方法的喷管膨胀段型线依赖经验进行设计；
4、2）各级膨胀波系必须严格组织。当折线段尺寸较大时，膨胀波的相交及其在壁面的反射会引起膨胀波没有在折线段转折点处反射，从而引起特征线在壁面处的相交，进而破坏膨胀波系的有序性，导致喷管消波段出口流场出现不规则性。
5、foelsch法是典型的使用源流区近似计算的方法，该方法的初始膨胀段将喉道处的声速来流近似作为转折点的超声速源流，消波段型线是把超声速源流变成满足设计马赫数要求的平行均匀流
6、1）该方法喷管初始膨胀段处壁面曲线极其依赖经验；
7、2）由于源流假设的局限性，设计的喷管一般很长；
8、3）源流区与均匀区直接相连造成轴向速度梯度不连续，影响了流场品质。
9、sivells方法通过设置轴向马赫数分布得到了具有连续曲率的喷管型线，使得喷管内部没有集中的压缩波，改善了流场品质，但该方法有以下几个缺点：
10、1）该方法仍使用源流区的假设，喷管长度仍然很长；
11、2）设置轴向马赫数分布依赖经验公式；
12、3）根据轴向马赫数分布进行计算极其容易发生特征线相交。
13、圆弧加直线的方法是一种比较简单的近似方法，该方法将转折点处以圆弧代替以减少由于曲率过大引起的流动分离，同时将初始膨胀段用直线代替，该方法原理简单，实现方便，但是不能做到良好的喷管长度控制。
14、赵一龙、赵玉新等人在“超声速型面可控喷管设计方法”一文中提供了一种基于轴线马赫数分布的喷管短化设计方法。该方法舍弃了源流区的假设，直接通过六次贝塞尔曲线控制轴线处马赫数分布来缩短喷管核心区长度。但该方法有以下几个缺点：
15、1）轴线马赫数分布规律依赖经验，没有统一的规律；
16、2）计算出的喷管特征线在壁面附近极易相交；
17、徐惊雷等人提供了一种基于壁面压力分布的喷管短化设计方法。该方法通过给出喷管整个扩张段的压力分布控制喷管长度。但该方法有以下几个缺点：
18、1）计算出的喷管无法得到均匀来流，所以只能适用于飞行器喷管；
19、2）无法控制喷管的总长度；
20、3）随马赫数增大，特征线网格会变得稀疏，影响最终计算精度。
21、综合分析，目前针对喷管短化设计的方法大多数依赖经验，且操作繁琐，喷管特征线容易相交。结合喷管设计特征线法原理，本专利技术针对初始膨胀段壁面马赫数分布提供一种基于初始膨胀段壁面马赫数分布的喷管短化设计方法，解决特征线在初始膨胀段壁面相交的问题，同时根据初始膨胀段壁面长度优化喷管最终的长度。
技术实现思路
1、鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种基于初始膨胀段壁面马赫数分布的喷管短化设计方法；
2、为实现上述专利技术目的，本专利技术技术方案如下：
3、一种基于初始膨胀段壁面马赫数分布的喷管短化设计方法，包括如下步骤：
4、步骤1，给定初始膨胀段壁面马赫数分布；
5、步骤2，计算喷管核心区流场；
6、步骤3，计算初始膨胀段流场；
7、步骤4，给定消波区出口边界马赫数或者流动角分布；
8、步骤5，计算消波区流场；
9、步骤6，步骤1~步骤5中得到的喷管核心区、初始膨胀段、消波区在空间上依次连接构成整个喷管的流场和型面。
10、作为优选方式，步骤1中所述的给定初始膨胀段壁面马赫数分布，包括以下步骤：
11、步骤1中所述的给定初始膨胀段壁面马赫数分布，包括以下步骤：
12、1.1）以原点为坐标建立坐标系，横轴x为喷管横向距离坐标，纵轴ma为马赫数；
13、1.2）给定5个控制点ci[xi,mai]，其中，i = 1、2、3、4、5 ，并给定初始膨胀段壁面马赫数分布控制系数mad、l、yp1、yp2、 f 1 、f 2 ，x0，ma0，其中mad为设计马赫数，l为初始膨胀段壁面长度，yp1为控制点c1处的斜率，yp2为控制点c5[x5,ma5]处的斜率， f 1 、f 2为c2和c4点沿起始点和末端点处线段的比例系数；
14、1.3）默认初始点c1[x1,ma1]坐标为c1[0,1.0]，末尾点c5[l,mad]；
15、1.4）通过斜率yp1和比例系数 f 1得到c2的坐标；
16、1.5）c3[x3,ma3]为c1c5段中间点，横坐标为 f 1l，纵坐标为1.0+yp1 f 1l与mad之中的较小值；
17、1.6）通过斜率yp2和比例系数 f 2得到c4的坐标；
18、1.7）根据1.1）、1.2）、1.3）、1.4）、1.5）、1.6）确定的控制点c1[0,1.0]、控制点c2[x2,ma2]、控制点c3[x3,ma3]、控制点c4[x4,ma4]、控制点c5[l,mad]，由b-spline曲线求解出初始膨胀段壁面马赫数随轴向坐标x的分布情况。
19、作为优选方式，步骤2中所述计算喷管核心区流场，包括以下步骤：
20、2.1）给定喉道边界网格点个数n和入口参数分布，通过本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于初始膨胀段壁面马赫数分布的喷管短化设计方法，其特征在于：包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于初始膨胀段壁面马赫数分布的喷管短化设计方法，其特征在于：
3.根据权利要求1所述的基于初始膨胀段壁面马赫数分布的喷管短化设计方法，其特征在于：
4.根据权利要求3所述的基于初始膨胀段壁面马赫数分布的喷管短化设计方法，其特征在于：
5.根据权利要求4所述的基于初始膨胀段壁面马赫数分布的喷管短化设计方法，其特征在于：
6.根据权利要求5所述的基于初始膨胀段壁面马赫数分布的喷管短化设计方法，其特征在于：
【技术特征摘要】
1.一种基于初始膨胀段壁面马赫数分布的喷管短化设计方法，其特征在于：包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于初始膨胀段壁面马赫数分布的喷管短化设计方法，其特征在于：
3.根据权利要求1所述的基于初始膨胀段壁面马赫数分布的喷管短化设计方法，其特征在于：
...【专利技术属性】
技术研发人员：乔文友，田子毅，王海龙，邓永浩，杨子涵，
申请(专利权)人：西南科技大学，
类型：发明
国别省市：
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