CN112035952B - 一种模拟飞行器外流的引射喷管实验装置的设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种模拟飞行器外流的引射喷管实验装置的设计方法。该方法采用特征线法设计出特定飞行马赫数下外流喷管子午面的初始型线,然后通过调整外流道对称因子G和喉道高度h得到符合要求的外流道非对称喷管子午面型线,并进一步得到外流道三维模型,最后设计外流稳压段和周向分布式进气段。本设计方法利用特征线法设计出外流通道,可以较大程度上利用原有实验组件,方法简单、程序易于实现,可设计不同马赫数下的外流道型面。采用本设计方法产生的超声速气流不存在膨胀波和激波,且流动参数均匀,能够在保证经济性的前提下准确模拟出飞行器的外流环境,为开展飞行器高空飞行工况的内外流耦合机理研究提供了一种切实可行的实验装置设计方法。
Description
技术领域
本发明涉及飞行器气动实验领域,尤其是一种可模拟外流实验装置的设计方法。
背景技术
TBCC尾喷管由于在很大的落压比范围内工作,且通过的质量流量变化幅度也较大,其扩张比从起飞状态下的2变化至超声速巡航状态时的15-20,需要采用变几何的方法来调节喉道和扩张角度,而这增加了喷管构型的复杂程度和附加阻力。因此需要通过气动方法设计包含多流路流体的喷管,在构型上容易实现且又不带来附加阻力。应用于超声速飞行器的引射喷管将来自进气道边界层的溢流或来自冷却流路、外涵道的气体(次流)引射,与流出主喷管的气体(主流)进行剪切及动能的掺混,从而提高次流流体的动能,主次流流体共同流出引射喷管以提高推力。
由于实际引射喷管在工作过程中不可避免将受到飞行器外流的影响,特别是在低速与跨声速飞行状态下,引射喷管第三流路辅助进气门打开,此时外流气流直接被吸入到引射喷管内,外流条件将直接影响到引射喷管的工作性能。
常用的模拟方法是开展高速风洞实验,通过风洞喷管来模拟高速气流(BresnabanD.L,Performance of an Aerodynamically positioned Auxiliary Inlet EjectorNozzle at Mach numbers from 0to 2.0,NASA TM-X-2023)。这种设计方法非常复杂,需要专门设计支撑***,通过支撑给引射喷管主次流供气,并且为了消除引射喷管上游型面对流场的干扰,还需专门设计整流罩。
另一种常用喷管实验通常在喷管入口处设置一高压气源以模拟上游边界条件,喷管出口则连接低压气源或大气以模拟下游条件。这种方法能够在难度较小、经济性较好的前提下模拟出喷管的工作状态,但无法准确模拟外流情况,尤其是外流和主流之间相互耦合并进一步对主流流场产生影响。
为此,需要寻找一种模拟飞行器外流的引射喷管实验装置的实际方法,在保证经济性的前提下模拟飞行器外流,从而更好得研究飞行器在高空实际飞行状态下的工作情况。
发明内容
本发明提供了一种模拟飞行器外流实验装置的设计方法,能够在不开展高速风洞实验的前提下模拟出飞行器外的超声速气流。
为达到上述目的,本发明的设计方法可采用如下技术方案:
一种模拟飞行器外流的引射喷管实验装置的设计方法,包括以下步骤:
(1)提供飞行器飞行马赫数及引射喷管实验装置原型,该实验装置原型包含包括圆转圆法兰段(1)、与圆转圆法兰段后端同轴连接的主喷管段(2)、围绕主喷管段的次流喷管段(9)、外流喷管段(8);外流喷管段(8)包括围绕次流喷管段(9)的中心体(14)、围绕中心体的外罩(15);中心体面对外罩的内表面自前向后逐渐向次流喷管段一侧靠近而形成扩张型面;所述外罩面对中心体的内表面自前向后逐渐向外扩张,且外罩的内表面向后延伸的长度超过中心体的内表面向后延伸的长度;
(2)基于提供的飞行马赫数,确定外流喷管(8)扩张比,并通过特征线法得到外流喷管子午面的初始型线(11),若该型线满足已有实验装置的几何约束和流量约束,则进行步骤(6),若不满足,则进行步骤(3);
(3)调整外流喷管(8)的非对称因子G和喉道高度h,使外流喷管的子午面下型线(13)满足次流喷管(8)的几何约束,同时满足实验台的流量约束;外流喷管(8)的非对称因子G定义为下壁面(13)初始膨胀角δL与上壁面(12)初始膨胀角δU之比,即
非对称因子G的数值在0到1之间,G=0表示下壁面沿轴线方向,G=1表示上下壁面对称;下壁面(13)为上述中心体面对外罩的内表面;上壁面(12)为上述外罩面对中心体的内表面;
(4)当非对称因子G<1时,下壁面长度小于上壁面;壁面进口处发出的膨胀波在下壁面反射,下壁面反射波与上壁面尖点发出的膨胀波相交,直到某一道反射波与上尖点最后一道膨胀波相互作用后的马赫数等于设计马赫数,全部核心区流动得以确定;
(5)确定外流喷管(8)上、下壁面点;具体步骤为,首先由喉道高度h的上下两端点确定为点a和点d,设b点,且ab为一弧线,该ab弧线圆心位于da延长线上,圆弧半径取0.05,ab弧线圆心角度即为上壁面初始膨胀角δU,由此确定点b;同时当G<1时,设e点,使de为直线,由此确定点e,接着通过特征线法不断计算膨胀波的反射与相交,直到某一道反射波与上尖点最后一道膨胀波相交后马赫数为设计马赫数得到点f,最后由壁面消波确定上、下壁面各点,即c和f,得到非对称外流喷管子午面型线(11);
(6)将外流喷管子午面型线(11)绕实验装置轴线回转得到三维模型,并由此设计外流稳压段(6)和外流分布式进气段(7)。
进一步的,外流稳压段(6)高度为外流道喉道高度的10倍以上。
进一步的,外流分布式进气段(7)面积为外流喉道面积的1.2倍及以上
进一步的,主流喷管(2)和次流喷管(5)由飞行马赫数决定,通过该实验装置得到满足实验要求的高品质喷管内流场。
进一步的,通过特征线法得到的外流喷管子午面型线(11)为无粘理论设计方案,根据当地边界层位移厚度对壁面进行边界层修正;
修正公式如下:
x=x0-δ*sinθ
y=y0+δ*cosθ
式中,x0、y0为按照无粘流设计得到的外流喷管(8)上壁面(12)坐标及下壁面(13)坐标,θ为壁面对x轴的倾斜角;按照无粘理论设计出外流喷管(8)壁面型线后,再计算出壁面各点对x轴的倾斜角,根据上述修正公式得出边界层修正后的壁面坐标值;δ*为当地边界层位移厚度,计算公式如下:
δ*=x·tgβ
β=a0+a1Ma+a2Ma2+a3Ma3+a4Ma4+a5Ma5
a0=-7.16665
a1=6.694431
a2=-2.209718
a3=0.3385411
a4=-0.023611065
a5=0.00060763751
式中,β为特征角度,其值为关于马赫数Ma的单值函数,a0、a1、a2、a3、a4和a5均为经验值。
有益效果:相对于现有技术,本发明具有以下有益效果:
本设计方法巧妙地利用特征线法设计出外流通道,可以较大程度上利用原有实验组件,同时设计方法简单、程序易于实现,仅需要改变外流马赫数便可以得到不同实验工况下的外流道型面。产生的超声速气流不存在复杂的膨胀波和激波,且流动参数均匀,能够在保证经济型的前提下准确的模拟出飞行器的外流,为开展飞行器高空实际飞行状况下的研究提供了一种切实可行的实验装置设计方法。
附图说明
图1是一种模拟飞行器外流的引射喷管实验装置示意图。
图2是图1中外流喷管局部放大图。
图3是图1中模拟飞行器外流的引射喷管实验装置额外流喷管流场示意图。
图4是壁面边界层修正示意图。
具体实施方式
本发明公开了一种可以模拟飞行器外流的引射喷管实验装置的设计方法。请参阅图1所示,该实验装置原型包含包括圆转圆法兰段1、与圆转圆法兰段后端同轴连接的主喷管段2、围绕主喷管段的次流喷管段9、外流喷管段(8);外流喷管段(8)包括围绕次流喷管段9的中心体(14)、围绕中心体的外罩(15);中心体面对外罩的内表面自前向后逐渐向次流喷管段一侧靠近而形成扩张型面;所述外罩面对中心体的内表面自前向后逐渐向外扩张,且外罩的内表面向后延伸的长度超过中心体的内表面向后延伸的长度。本发明的难点在于利用已有的引射喷管实验装置,设计出能够模拟飞行器外流的外流喷管段10,其具体设计步骤如下:
1.提供飞行器飞行马赫数及引射喷管实验装置原型,该实验装置原型包含包括圆转圆法兰段1、与圆转圆法兰段后端同轴连接的主喷管段2、围绕主喷管段的次流喷管段9、外流喷管段8;外流喷管段8包括围绕次流喷管段9的中心体14、围绕中心体的外罩15;中心体面对外罩的内表面自前向后逐渐向次流喷管段一侧靠近而形成扩张型面;所述外罩面对中心体的内表面自前向后逐渐向外扩张,且外罩的内表面向后延伸的长度超过中心体的内表面向后延伸的长度。
2.根据实验要求模拟的飞行马赫数,确定外流喷管的扩张比,通过特征线法设计出初始外流喷管的子午面型线。关于特征线法的详细介绍和应用可参阅“M J左克罗,J D霍夫曼著,王汝涌,吴宗真等译.气体动力学.北京:国防工业出版社.1984”。
3.考虑到与现有模型的装配问题,为了尽可能使部分零件可以共用,外流道拉瓦尔喷管下壁面长度需与引射喷管模型长度一致,且避免零件结构干涉。若该型线满足已有实验装置的几何约束和流量约束,则进行步骤5,若不满足,则进行步骤4,需要调整上下壁面长度以满足几何约束和实验台的流量约束。
4.调整外流喷管的非对称因子G和喉道高度h,使喷管的子午面下型线满足模型整体的几何约束。
4.1对于非对称喷管,由于初始膨胀区的非对称性,上下两半部分要分别求解。若喷管的上壁面长于下壁面,则定义喷管的非对称因子G等于下壁面初始膨胀角δL与上壁面初始膨胀角δU之比,即
非对称因子G的数值在0到1之间,G=0表示下壁面沿轴线方向,G=1表示上下壁面对称;下壁面13为上述中心体面对外罩的内表面;上壁面12为上述外罩面对中心体的内表面;
4.2参阅图2及图3所示。下壁面长度小于上壁面,上壁面进口处发出的膨胀波在下壁面反射。下壁面反射波与上壁面尖点后发出的膨胀波相交,直到某一道反射波与上尖点最后一道膨胀波相互作用后的马赫数等于设计马赫数(图中g点),全部核心区流动得以确定。
4.3最后,确定外流喷管8上、下壁面点;具体步骤为,首先由喉道高度h的上下两端点确定为点a和点d,设b点,且ab为一弧线,该ab弧线圆心位于da延长线上,圆弧半径取0.05,ab弧线圆心角度即为上壁面初始膨胀角δU,由此确定点b;同时当G<1时,设e点,使de为直线,由此确定点e,接着通过特征线法不断计算膨胀波的反射与相交,直到某一道反射波与上尖点最后一道膨胀波相交后马赫数为设计马赫数得到点f,最后由壁面消波确定上、下壁面各点,即c和f,得到非对称外流喷管子午面型线11;
4.4请结合图4所示,特征线法理论是基于无粘流的理论设计,因此需要对壁面进行边界层修正,修正公式如下:
x=x0-δ*sinθ
y=y0+δ*cosθ
式中,x0、y0为按照无粘流设计得到的外流喷管壁面坐标,θ为壁面对x轴的倾斜角。按照无粘理论设计出外流喷管壁面型线后,再计算出壁面各点对x轴的倾斜角,根据上述公式即可计算出边界层修正后的壁面坐标值。δ*为当地边界层位移厚度,修正公式如下:
x=x0-δ*sinθ
y=y0+δ*cosθ
式中,x0、y0为按照无粘流设计得到的外流喷管8上壁面12坐标及下壁面13坐标,θ为壁面对x轴的倾斜角;按照无粘理论设计出外流喷管8壁面型线后,再计算出壁面各点对x轴的倾斜角,根据上述修正公式得出边界层修正后的壁面坐标值;δ*为当地边界层位移厚度,计算公式如下:
δ*=x·tgβ
β=a0+a1Ma+a2Ma2+a3Ma3+a4Ma4+a5Ma5
a0=-7.16665
a1=6.694431
a2=-2.209718
a3=0.3385411
a4=-0.023611065
a5=0.00060763751
式中,β为特征角度,其值为关于马赫数Ma的单值函数,a0、a1、a2、a3、a4和a5均为经验值。
5.将外流喷管子午面型线绕实验装置轴线回转得到三维模型,并由此设计外流稳压段和周向进气结构。为了保证气流均匀,外流稳压段6高度为外流道喉道高度的10倍以上,同时为了避免在分布式进气段7产生堵塞,外流分布式进气段7面积需达到外流喉道面积的1.2倍以上。
另外,本发明的具体实现方法和途径很多,以上所述仅是本发明的优选实施方式。应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种模拟飞行器外流的引射喷管实验装置的设计方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)提供飞行器飞行马赫数及引射喷管实验装置原型,该实验装置原型包括圆转圆法兰段(1)、与圆转圆法兰段后端同轴连接的主喷管段(2)、围绕主喷管段的次流喷管段(9)、外流喷管段(8);外流喷管段(8)包括围绕次流喷管段(9)的中心体(14)、围绕中心体的外罩(15);所述次流喷管段(9)包括次流喷管(5),中心体(14)围绕次流喷管(5);中心体面对外罩的内表面自前向后逐渐向次流喷管(5)一侧靠近而形成扩张型面;所述外罩面对中心体的表面自前向后逐渐向外扩张,且外罩的内表面向后延伸的长度超过中心体的内表面向后延伸的长度;
(2)基于提供的飞行马赫数,确定外流喷管(8)扩张比,并通过特征线法得到外流喷管子午面的初始型线(11),若该型线满足已有实验装置的几何约束和流量约束,则进行步骤(6),若不满足,则进行步骤(3);
通过特征线法得到的外流喷管子午面型线(11)为无粘理论设计方案,根据当地边界层位移厚度对壁面进行边界层修正;
修正公式如下:
x=x0-δ*sinθ
y=y0+δ*cosθ
式中,x0、y0为按照无粘流设计得到的外流喷管(8)上壁面(12)坐标及下壁面(13)坐标,θ为壁面对x轴的倾斜角;按照无粘理论设计出外流喷管(8)壁面型线后,再计算出壁面各点对x轴的倾斜角,根据上述修正公式得出边界层修正后的壁面坐标值;δ*为当地边界层位移厚度,计算公式如下:
δ*=x·tgβ
β=a0+a1Ma+a2Ma2+a3Ma3+a4Ma4+a5Ma5
a0=-7.16665
a1=6.694431
a2=-2.209718
a3=0.3385411
a4=-0.023611065
a5=0.00060763751
式中,β为特征角度,其值为关于马赫数Ma的单值函数,a0、a1、a2、a3、a4和a5均为经验值;
(3)调整外流喷管(8)的非对称因子G和喉道高度h,使外流喷管的下壁面(13)满足次流喷管(5)的几何约束,同时满足实验台的流量约束;外流喷管(8)的非对称因子G定义为下壁面(13)初始膨胀角δL与上壁面(12)初始膨胀角δU之比,即
非对称因子G的数值在0到1之间,G=0表示下壁面沿轴线方向,G=1表示上下壁面对称;下壁面(13)为上述中心体面对外罩的内表面;上壁面(12)为上述外罩面对中心体的内表面;
(4)当非对称因子G<1时,下壁面长度小于上壁面;壁面进口处发出的膨胀波在下壁面反射,下壁面反射波与上壁面尖点发出的膨胀波相交,直到某一道反射波与上尖点最后一道膨胀波相互作用后的马赫数等于设计马赫数,全部核心区流动得以确定;
(5)确定外流喷管(8)上、下壁面点;具体步骤为,首先由喉道高度h的上下两端点确定为点a和点d,设b点,且ab为一弧线,该ab弧线圆心位于da延长线上,圆弧半径取0.05,ab弧线圆心角度即为上壁面初始膨胀角δU,由此确定点b;同时当G<1时,设e点,使de为直线,由此确定点e,接着通过特征线法不断计算膨胀波的反射与相交,直到某一道反射波与上尖点最后一道膨胀波相交后马赫数为设计马赫数得到点f,最后由壁面消波确定上、下壁面各点,即c和f,得到非对称外流喷管子午面型线(11);
(6)将外流喷管子午面型线(11)绕实验装置轴线回转得到三维模型,并由此设计外流稳压段(6)和外流分布式进气段(7)。
2.根据权利要求1所述的模拟飞行器外流的引射喷管实验装置的设计方法,其特征在于:外流稳压段(6)高度为外流道喉道高度的10倍以上。
3.根据权利要求1或2所述的模拟飞行器外流的引射喷管实验装置的设计方法,其特征在于:外流分布式进气段(7)面积为外流喉道面积的1.2倍及以上。
4.根据权利要求3所述的模拟飞行器外流的引射喷管实验装置的设计方法,其特征在于:主流喷管(2)和次流喷管(5)由飞行马赫数决定,通过该实验装置得到满足实验要求的高品质喷管内流场。
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