模拟内转进气道-圆形隔离段流场畸变的装置及设计方法与流程

本发明属于流体力学技术领域，具体涉及一种高超声速内转进气道-圆形隔离段流场畸变的装置及设计方法。

背景技术：

带进气道的圆形隔离段流场存在很大畸变，如内转进气道后接圆形隔离段内会形成明显的“对涡”结构。但用于圆形隔离段试验的直连试验通常是均匀来流的工况，喷管后接一等直的附面层发展段，发展段后连接隔离段，这种试验结果与带进气道的自由射流试验结果相差很大，不利于理论研究。也有文献针对矩形隔离段附面层非对称做了试验模拟装置，但流场中激波/膨胀波的相互干扰效果没有模拟出来。因此，设计一种能够模拟隔离段入口流场畸变的畸变发生器就显得尤为重要，若这种装置能够使直连发动机试验更接近于带进气道隔离段的自由射流试验流场，将会大幅降低试验成本，对后期畸变流场下的研究有重大意义。

技术实现要素：

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种高超声速内转进气道-圆形隔离段流场畸变的装置及设计方法。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种模拟高超声速内转进气道-圆形隔离段流场畸变的装置及设计方法，包括依次首尾直连的喷管、附面层发展段、畸变发生器和圆形隔离段，所述喷管的末端出口形面与所述附面层发展段的入口匹配连接，所述附面层发展段的出口形面与所述畸变发生器的入口匹配连接，所述畸变发生器出口形面与所述圆形隔离段的入口匹配连接；所述圆形隔离段的入口设置有进气道；

所述畸变发生器的上端为畸变发生器唇口侧形线，下端为畸变发生器顶板侧形线。

进一步的，所述畸变发生器唇口侧形线采用形线设计方法，所述畸变发生器顶板侧形线采用过渡圆弧；所述畸变发生器形面采用扫略的方式形成。

进一步的，所述畸变发生器唇口侧形线采用形线设计方法具体为：根据目标流场即所述圆形隔离段的参数，形线以贝塞尔曲线为基础，首先采用三阶贝塞尔曲线快速确定形线的基本参数，再使用三阶两段贝塞尔曲线进行细化设计。

一种高超声速内转进气道-圆形隔离段流场畸变的装置的设计方法，以带进气道的圆形隔离段流场作为目标流场，根据目标流场各性能参数，设计畸变发生器的形面变化，计算包括畸变发生器唇口侧形线、畸变发生器顶板侧形线过渡圆半径、附面层发展段长度在内的设计参数，根据结果与目标流场的误差修正各参数。

进一步的，包括以下步骤：

1)获得目标流场，即目标进气道在典型工况下的特性，包括流场结构、参数分布和总体性能；

2)提取目标流场的进气道喉道截面的参数；

3)设计畸变发生器唇口侧形线；

4)选取畸变发生器顶板侧形线过渡圆半径；

5)根据畸变发生器入口流场的参数，参数包括质量平均马赫数流场畸变指数D，马赫数畸变指数DMa；在确定附面层发展段的基础上，调整喷管的出口马赫数，使畸变发生器入口流场参数与目标流场的进气道喉道截面的参数的误差均在允许范围内；

根据目标流场的内转进气道的几何构型，选择附面层发展段到圆形隔离段的总的气流折转角。

6)根据畸变发生器模拟结果与目标流场的误差，对畸变发生器形线做修正，包括畸变发生器唇口侧形线和畸变发生器顶板侧形线过渡圆半径。

进一步的，步骤2)中，所述进气道喉道截面的参数包括马赫数、流场畸变指数、马赫数畸变指数、静压力、温度。

进一步的，步骤3)中，畸变发生器唇口侧形线的设计方法为：采用贝塞尔曲线作为唇口侧形线的基础方程，n阶贝塞尔曲线表示为：

式中：Pi为曲线的节点，通过调节节点参数，改变畸变发生器出口流场的参数。

进一步的，步骤3)中，畸变发生器顶板侧形线选用一圆弧过渡，过渡半径由畸变发生器尺寸与目标内转进气道的顶板侧气流偏转角度决定。

进一步的，所述马赫数畸变指数DMa表达式如下：

其中，—质量平均马赫数；Mai—各测量点处的马赫数；Ai—各测量点的面积；—各测量点的质量流量；A0—测量截面的总面积；—测量截面总的质量流量；N—将测量截面分成N个小区域。

进一步的，所述流场畸变指数D用总质量流量进行无量纲化表示为：

其中，ρ-测量截面的总流体密度；u-测量截面的主流方向速度，ρi—各测量点处的流体密度，ui—各测量点处的主流方向速度，—各测量点的质量流量，A0—测量截面的总面积；—测量截面总的质量流量。

有益效果：本发明提供的高超声速内转进气道-圆形隔离段流场畸变的装置及设计方法，具有以下优势：

1)在常规直连试验方案基础上通过增加畸变发生器使直连试验下的隔离段进出口流场结构与实际带内转进气道的自由射流结果接近，以使直连试验结果更接近自由射流结果。

2)能较好地模拟内转进气道主要出口流场特征，严格讲能够模拟隔离段进出口流场特征，包括附面层结构、激波膨胀波的交替反射、隔离段进出口截面参数分布规律(特别是要能再现隔离段内的“对涡”流动)。

3)所模拟的畸变流场与目标流场吻合度高：隔离段进出口截面马赫数分布与流场畸变相似；隔离段内的总压恢复系数偏差在±6％以内；壁面沿程压力分布与目标流场具有较好的相似性。

4)模拟装置仅针对进气道在来流马赫数Ma＝5和Ma＝6时的隔离段流场特征。

5)该技术将对深入开展复杂入口条件下的圆形隔离段气动性能研究及超燃冲压发动机直连试验研究有重要应用价值。

附图说明

图1为可模拟隔离段畸变流场的试验装置示意图。

图2为典型的内转进气道与圆形隔离段的示意图。

图3为畸变发生器内两激波系的分布示意图。

其中：1-喷管；2-附面层发展段；3-畸变发生器；4-圆形隔离段；5-畸变发生器唇口侧形线；6-畸变发生器顶板侧形线；7-内转进气道(方转圆形进气道)；8-进气道喉道截面(隔离段入口截面)；9-目标模型圆形隔离段；10-隔离段出口截面；11-唇口侧形线起始点处斜激波(第一道弱的斜激波)；12-唇口侧形线过渡点处斜激波(第二道弱的斜激波)。

具体实施方式

本发明是一种高超声速内转进气道-圆形隔离段流场畸变的装置及设计方法，简称为畸变发生器，可为燃烧室提供更接近真实工况的流场结构。这种畸变发生器用于可模拟高超声速内转进气道-圆形隔离段流场畸变的圆形隔离段直连试验装置中，图1所示，这组装置主要包括：喷管1，附面层发展段2，畸变发生器3，圆形隔离段4。带内转进气道7的隔离段流场作为目标流场，根据目标流场各性能参数，选取畸变发生器唇口侧形线5及顶板过渡圆半径、附面层发展段2长度等设计参数，根据结果与目标流场的误差修正各参数。这种畸变发生器能够很好地模拟目标流场的畸变情况，吻合性较好，尤其是能够有效模拟隔离段内“对涡”的形成过程。使用这种畸变发生器的圆形隔离段直连试验装置能够替代带进气道的自由射流试验装置，大幅降低了试验成本，对后期畸变流场下的隔离段性能研究具有重大意义。

一种可模拟隔离段流场畸变的畸变发生器，根据给定的带进气道隔离段流场(称为目标流场)，设计畸变发生器的形面变化。

该方法具体包括以下步骤：

(1)对于需要模拟的带内转进气道7的目标模型圆形隔离段9内流场畸变，可先利用数值仿真软件，计算带进气道的圆形隔离段4自由射流流场，获取所需的参数，如隔离段入口截面8与出口截面10的马赫数、附面层厚度、静压力、温度、流场畸变和马赫数畸变等，隔离段壁面压力分布情况，图2所示。

(2)根据目标流场的内转进气道7几何构型，选择合适的附面层发展段2到圆形隔离段4的总的气流折转角(测量目标进气道模型得到)。

(3)设计畸变发生器唇口侧形线5，首先采用三阶贝塞尔曲线，公式为：

根据曲线调节规律，将喉道截面各项参数与目标流场的误差调到设计要求左右，这种调节方法能够快速定位形线的基本参数。此后根据畸变发生器内流场情况，采用三阶两段贝塞尔曲线来保证畸变发生器内有两道斜激波11、12存在，如图3所示，通过调节三阶两段贝塞尔曲线起始点与过渡点的引导线楔角大小来改变两道斜激波的波系配置，以此模拟隔离段壁面压力分布，包括压力波动峰值大小，峰值间距等。

(4)在上述基础上，参考隔离段入口流场的附面层厚度，附面层厚度与附面层发展段长度近似成线性关系，在已有的发展段长度与附面层厚度对应关系的基础上，可快速选出合适长度的附面层发展段，附面层厚度与附面层发展段2长度近似成线性关系，在试选长度的模拟结果基础上，可较快确定所需发展段长度。根据隔离段出口对涡的大小选择合适半径的顶板侧过渡圆弧，即减小过渡圆半径可减小对涡，增大过渡圆半径，对涡也相应增大。对最终设计结果作数值计算，结果与目标流场相比较，根据各项参数误差对畸变发生器各设计参数修正。

实施例

下面结合一个实例对本发明作进一步说明。

为定量衡量出口流场品质，本文定义了畸变指数D来衡量出口动量的变化，利用总质量流量进行无量纲化。其表达式如下所示：

式中：

其中，ρ-测量截面的总流体密度；u-测量截面的主流方向速度，ρi—各测量点处的流体密度，ui—各测量点处的主流方向速度，为各测量点的质量流量，A0为测量截面的总面积；为测量截面总的质量流量。采用离散方法计算整个截面，即将截面分成若干个小区域，每个小区域的参数值合成整个截面的参数值。

此外，本文定义了DMa来描述隔离段出口马赫数非均匀程度，表达式如下：

式中:

其中，—质量平均马赫数；Mai—各测量点处的马赫数；Ai—各测量点的面积；—各测量点的质量流量；A0—测量截面的总面积；—测量截面总的质量流量；N—将测量截面分成N个小区域。采用离散方法计算整个截面，即将截面分成若干个小区域，每个小区域的参数值合成整个截面的参数值。

本实例采用某一型号方转圆形进气道后接的圆形隔离段Ma5工况下的性能作为目标流场，根据上述计算公式，得出目标模型隔离段入口质量平均马赫数为2.65，流场畸变为0.2382，马赫数畸变为0.17998，隔离段出口质量平均马赫数为2.276，流场畸变为0.29708，马赫数畸变为0.2056，隔离段总压恢复系数为0.80352。根据设计方法，设计出了两种性能较好的畸变发生器模型，性能参数如表1所示，其中O为目标流场，ModelA、ModelB为畸变发生器模型，可以看出，模型ModelA喉道和出口截面参数与目标流场误差稍大，最大误差为6.1％，基本符合设计要求，ModelB喉道和出口截面参数与目标流场误差较小，最大误差2.3％，属于较好模拟效果的模型。ModelA、ModelB模拟结果与目标流场均能够很好地吻合。

表1 Ma5工况各截面性能参数

在Ma5工况符合设计要求的前提下，对两模型作Ma6工况的数值计算，仿真结果如表2所示，结果表明，给出的两个试验装置在Ma6工况下也同样具有很好的吻合效果，各参数误差保持在6％以内，符合一般设计误差范围要求，说明该畸变发生器能够满足宽马赫数工作范围。

表2 Ma6工况各截面性能参数

从以上对比结果可见本文的隔离段流场模拟装置的计算结果与目标流场吻合很好。

关于隔离段直连试验引入畸变流场效果的文献较少，目前国内还没有一个系统的研究，尤其对圆形隔离段而言，需要配置内转进气道，也是国内较新的进气道设计方法，所以关于内转进气道的流场模拟方法还没有较多可参考的文献。本发明正是弥补了试验领域上的不足，为复杂条件下的发动机直连试验提供了重要依据。

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。