专利名称：超声速流道的实现方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及空气动力领域，具体而言，涉及一种超声速流道的实现方法和装置。
背景技术：
超声速流道，如喷管、进气道、隔离段、转弯段等，常用于风洞和高速飞行器。随着现代空气动力学的发展，人们对超声速流道的设计需求也越来越高。为了给超声速风洞、飞行器的气动与结构设计提供更好的流场环境，往往需要一种内流道截面为圆形变矩形或矩形变圆形的超声速流道。相关技术中，还没有基于空气动力学原理的内流道截面为圆形变矩形或矩形变圆形的超声速流道实现方法，而在进气道设计中，提到了一种相近的实现方法矩形转椭圆形的高超声速进气道设计方法，该方法的步骤如下(I)给出满足压力比的基准流场F ；(2)根据基准流场，利用流线追踪技术获得矩形、倒圆角矩形和椭圆形流管；(3)采用加权组合的方法由三个流管计算矩形转椭圆形的进气道。然而，上述设计方法存在一定的缺陷，由于只有一个基准流场，因此，在入口或出口流场确定之后，无法同时保证矩形管道和圆形管道内膨胀和压缩波的匹配；此外，上述的实现方法中，出口流场的均匀性较差，流道总压损失也较大。针对相关技术中单个基准流场的单一压缩特性所导致的无法同时保证矩形管道和圆形管道内膨胀和压缩波的匹配问题，目前尚未提出有效的解决方案。
发明内容
本发明提供了一种超声速流道的实现方法和装置，以解决相关技术中单个基准流场的单一压缩特性所导致的，无法同时保证矩形管道和圆形管道内膨胀和压缩波的匹配问题。根据本发明的一个方面，提供了一种超声速流道的实现方法，包括根据入口流场的约束参数获取位于流道中心线上的第一中心点；根据出口流场的约束参数获取位于流道中心线上的第二中心点；根据第一中心点和第二中心点连线上的第三中心点、预定的圆形流道的壁面点以及预定的矩形流道的壁面点生成超声速流道的壁面曲线。优选的，根据第一中心点和第二中心点连线上的第三中心点、预定的圆形流道的壁面点以及预定的矩形流道的壁面点生成超声速流道的壁面曲线的步骤包括通过以下公式计算 -^blend 其中， -^blend ^blend 与P_tCT之间的距离，Pblend为超声速流道的壁面曲线上的点，Pcenter为弟二中;Li、点
*-^blend f blend
(t)
rcircle+ [l-fblend(t)] -^rectangle, 其中，『circle为Pcircle与
P_tOT之间的距离，Pcircle为预定的圆形流道的壁面点；r_tangle为Pratangl6与P_tCT之间的距离，Pr6rtangl6为预定的矩形流道的壁面点；fbl6nd⑴G
, t G
;通过计算得到的
-^blend
以及
Pcenter 得到 Pblend0优选的，fblend(t)根据预定的结构约束从
之间选取得到。
优选的，根据入口流场的约束参数获取位于流道中心线上的第一中心点的步骤包括根据入口流场和出口流场的位置确定流道中心线A-B的长度和位置以及中心线马赫数分布；根据入口流场的约束参数、流道中心线A-B的长度和位置以及中心线马赫数分布确定矩形流管的壁面曲线C-D，其中，C为入口点；将曲线型面C-D相对于流道中心线A-B进行镜像得到镜像壁面曲线C’ -D’;将点D与D’的连线与流道中心线A-B的交点设置为第一中心点。优选的，根据出口流场的约束参数获取位于流道中心线上的第二中心点的步骤包括根据入口流场和出口流场的位置确定流道中心线A-B的长度和位置以及中心线马赫数分布；根据出口流场的约束参数、流道中心线A-B的长度和位置以及中心线马赫数分布确定圆形流管的壁面曲线F-E，其中，F为出口点；将曲线型面F-E相对于流道中心线A-B进行镜像得到镜像壁面曲线F’ -E’;将点E与E’的连线与流道中心线A-B的交点设置为第二中心点。根据本发明的另一方面，提供了一种超声速流道的实现装置，包括第一获取单元，用于根据入口流场的约束参数获取位于流道中心线上的第一中心点；第二获取单元，用于根据出口流场的约束参数获取位于流道中心线上的第二中心点；生成单元，用于根据第一中心点和第二中心点连线上的第三中心点、预定的圆形流道的壁面点以及预定的矩形流道的壁面点生成超声速流道的壁面曲线。优选的，生成单元包括第一计算模块，用于通过以下公式计算rbl6nd，其中，rblend 为Pblmd与之间的距离，Pblend为超声速流道的壁面曲线上的点，Pcenter为第三中心点
-^blend f blend
(t)
Fcirle+ [l-fblend(t)] -^rectangle,
其中，r
circle ^ ^circle ^center
之间的距离，P
circle
为预定的圆形流道的壁面点；rMrtangl6为Pratangl6与P_tCT之间的距离，Prectangle为预定的矩形流道的壁面点；fblmd(t) G
, t G
;第二计算模块，用于通过第一计算模块计算得到的
-^blend
以及P
center 得到 Pblend °优选的，第一计算模块还包括获取子模块，用于获取fblmd(t)，其中fblmd(t)根据预定的结构约束从
之间选取得到。优选的，第一获取单元包括第一确定模块，用于根据入口流场的约束参数确定流道中心线A-B的长度和位置以及中心线马赫数分布第二确定模块，用于根据流道中心线A-B的长度和位置以及中心线马赫数分布确定矩形流管的壁面曲线C-D，其中，C为入口点；第一镜像模块，用于将曲线型面C-D相对于流道中心线A-B进行镜像得到镜像壁面曲线 C’ -D’ ；第一设置模块，用于将点D与D’的连线与流道中心线A-B的交点设置为第一中心优选的，第二获取单元包括第三确定模块，用于根据出口流场的约束参数确定流道中心线A-B的长度和位置以及中心线马赫数分布；第四确定模块，用于根据流道中心线A-B的长度和位置以及中心线马赫数分布确定圆形流管的壁面曲线F-E，其中，F为出口点；第二镜像模块，用于将曲线型面F-E相对于流道中心线A-B进行镜像得到镜像壁面曲线 F’ -E’ ；第二设置模块，用于将点E与E’的连线与流道中心线A-B的交点设置为第二中心 通过本发明，根据入口流场的约束和出口流场的约束，采用特征线法设计两个基准流场，根据两个基准流场生成超声速流道的壁面曲线，以便在矩形段考虑矩形流道的消波，在轴对称段考虑圆形流道的消波，避免传统单个基准流场的单一压缩特性，消除了集中的膨胀和压缩波，使流场的均匀性更好，解决了相关技术中单个基准流场的单一压缩特性所导致的无法同时保证矩形管道和圆形管道内膨胀和压缩波的匹配问题，使得内流道截面为圆形变矩形的超声速流道的设计更加灵活。
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中图I是根据本发明实施例的超声速流道的实现方法的一种优选的流程图；图2是根据本发明实施例中超声速流道的中心线及其马赫数分布；图3是根据本发明实施例中根据特征线法设计二维流道的示意图；图4是根据本发明实施例中特征线法迭代公式的示意图；图5是根据本发明实施例中根据特征线法设计轴对称流道的示意图；图6是根据本发明实施例中求解矩形流道和圆形流道共用段的示意图；图7是根据本发明实施例中基于混合函数求解三维曲面坐标点的示意图；图8是根据本发明实施例的超声速流道的实现装置的一种优选的结构框图；图9是根据本发明实施例的超声速流道的实现装置的另一种优选的结构框图。
具体实施例方式下文中将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。实施例I本发明提供了一种超声速流道的实现方法，如图I所示，该方法包括S102，根据入口流场的约束参数获取位于流道中心线上的第一中心点；S104，根据出口流场的约束参数获取位于流道中心线上的第二中心点；S106，根据第一中心点和第二中心点连线上的第三中心点、预定的圆形流道的壁面点以及预定的矩形流道的壁面点生成超声速流道的壁面曲线。在上述实施方式中，根据入口流场的约束和出口流场的约束，采用特征线法设计两个基准流场，根据两个基准流场生成超声速流道的壁面曲线，解决了相关技术中不能直接设计内流道截面为圆形变矩形或矩形变圆形的超声速流道的问题，达到了内流道截面为圆形变矩形的超声速流道的设计更加灵活的效果。本发明还提供了一种根据入口流场的约束参数获取位于流道中心线上的第一中心点的优选的方案，该方案包括根据入口流场和出口流场的位置确定流道中心线A-B的长度和位置以及中心线马赫数分布；根据入口流场的约束参数、流道中心线A-B的长度和位置以及中心线马赫数分布确定矩形流管的壁面曲线C-D，其中，C为入口点；将曲线型面 C-D相对于流道中心线A-B进行镜像得到镜像壁面曲线C’ -D’ ；将点D与D’的连线与流道中心线A-B的交点设置为第一中心点。上述优选的技术方案中，通过简单的几何运算即可获得第一中心点。具体的，如图2所示，根据入口流场和出口流场的位置及马赫数约束，确定流道中心线长度及其马赫数分布，图2中，A-B为流道中心线。根据入口流场的约束参数，确定入口点C，如图3所示，然后采用特征线法设计矩形流道的曲线型面C-D，根据对称性，将C-D关于A-B镜像，得到镜像壁面曲线C’ -D’，并获得第一中心点，其中D_tOT是D与D’连线与流道中心线A-B的交点。优选的，此处附上特征线法迭代公式已知两点=CKx1,!T1, M1, 0 j, ) , P(x2, r2, M2, 0 2)求解第三个点Q(x3，r3, M3, 9 3)(四个方程，四个未知数)，如图4所示，其中，x为 X轴坐标，在二维情况下，r分别为y轴坐标，轴对称情况下，r为柱坐标下的径向坐标，M为马赫数，0为流动方向角，下标1、2、3分别对应各特征点。预估步骤先求解(x3，r3)u ! = SirT1 (I/M1)，为点 0 的马赫角，u 2 = SirT1 (I/M2)，为点 P 的马赫角，h: = tan[ 0 # J，为点Q发出的左行特征线的斜率h2 = tan[ 02-u 2]，为点P发出的右行特征线的斜率根据差分方程有T^-Y1 = Il1(X3-X1)r3-r2 = h2 (X3-X2)两式相减可得T1-T2 = {h2-hj XfXih1-X2Ii2由此得到点Q的坐标
& = (^i - r2) - (xA - x2hi)
权利要求
1.一种超声速流道的实现方法，其特征在于，包括根据入口流场的约束参数获取位于流道中心线上的第一中心点；根据出口流场的约束参数获取位于所述流道中心线上的第二中心点；根据所述第一中心点和所述第二中心点连线上的第三中心点、预定的圆形流道的壁面点以及预定的矩形流道的壁面点生成超声速流道的壁面曲线。
2.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，根据所述第一中心点和所述第二中心点连线上的第三中心点、预定的圆形流道的壁面点以及预定的矩形流道的壁面点生成超声速流道的壁面曲线的步骤包括通过以下公式计算rblmd，其中，-^blend Pblend 与P_tOT之间的距离，Pblend为超声速流道的壁面曲线上的点，Pcenter为所述第三中心点-^blend f blend(t)Fcircle+ [l-fblend(t)] -^rectangle, 其中， -^circle ^ ^circle ^center之间的距离，Pcircle为所述预定的圆形流道的壁面点； -^rectangle )、^rectangle与P_tCT之间的距离，PMC;tangle为所述预定的矩形流道的壁面点；fblmd(t) G
, t G
；通过计算得到的rblmd以及P_tCT得到Pblmd。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述fblmd(t)根据预定的结构约束从
之间选取得到。
4.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，根据入口流场的约束参数获取位于流道中心线上的第一中心点的步骤包括根据所述入口流场和所述出口流场的位置确定所述流道中心线A-B的长度和位置以及中心线马赫数分布；根据所述入口流场的约束参数、所述流道中心线A-B的长度和位置以及所述中心线马赫数分布确定矩形流管的壁面曲线C-D，其中，C为入口点；将所述曲线型面C-D相对于所述流道中心线A-B进行镜像得到镜像壁面曲线C’ -D’ ； 将点D与D’的连线与所述流道中心线A-B的交点设置为所述第一中心点。
5.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，根据出口流场的约束参数获取位于流道中心线上的第二中心点的步骤包括根据所述入口流场和所述出口流场的位置确定所述流道中心线A-B的长度和位置以及中心线马赫数分布；根据所述出口流场的约束参数、流道中心线A-B的长度和位置以及所述中心线马赫数分布确定圆形流管的壁面曲线F-E，其中，F为出口点；将所述曲线型面F-E相对于所述流道中心线A-B进行镜像得到镜像壁面曲线F’ -E’ ； 将点E与E’的连线与所述流道中心线A-B的交点设置为所述第二中心点。
6.一种超声速流道的实现装置，其特征在于，包括第一获取单元，用于根据入口流场的约束参数获取位于流道中心线上的第一中心点； 第二获取单元，用于根据出口流场的约束参数获取位于所述流道中心线上的第二中心占.j \\\ 生成单元，用于根据所述第一中心点和所述第二中心点连线上的第三中心点、预定的圆形流道的壁面点以及预定的矩形流道的壁面点生成超声速流道的壁面曲线。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述生成单元包括第一计算模块，用于通过以下公式计算rblmd，其中，rblmd为Pblmd与P_tCT之间的距离， Pblend为超声速流道的壁面曲线上的点，Pcenter为所述第三中心点
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述第一计算模块还包括获取子模块， 用于获取fblmd(t)，其中所述fblmd(t)根据预定的结构约束从
之间选取得到。
9.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述第一获取单元包括第一确定模块，用于根据所述入口流场和所述出口流场的位置确定所述流道中心线 A-B的长度和位置以及中心线马赫数分布；第二确定模块，用于根据所述入口流场的约束参数、所述流道中心线A-B的长度和位置以及所述中心线马赫数分布确定矩形流管的壁面曲线C-D，其中，C为入口点；第一镜像模块，用于将所述曲线型面C-D相对于所述流道中心线A-B进行镜像得到镜像壁面曲线C’ -D’ ；第一设置模块，用于将点D与D’的连线与所述流道中心线A-B的交点设置为所述第一中心点。
10.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述第二获取单元包括第三确定模块，用于根据所述入口流场和所述出口流场的位置确定所述流道中心线 A-B的长度和位置以及中心线马赫数分布；第四确定模块，用于根据所述出口流场的约束参数、所述流道中心线A-B的长度和位置以及所述中心线马赫数分布确定圆形流管的壁面曲线F-E，其中，F为出口点；第二镜像模块，用于将所述曲线型面F-E相对于所述流道中心线A-B进行镜像得到镜像壁面曲线F’ -E’ ；第二设置模块，用于将点E与E’的连线与所述流道中心线A-B的交点设置为所述第二中心点。
全文摘要
本发明公开了一种超声速流道的实现方法和装置，其中，该方法包括根据入口流场的约束参数获取位于流道中心线上的第一中心点；根据出口流场的约束参数获取位于流道中心线上的第二中心点；根据第一中心点和第二中心点连线上的第三中心点、预定的圆形流道的壁面点以及预定的矩形流道的壁面点生成超声速流道的壁面曲线。本发明解决了相关技术中单个基准流场的单一压缩特性所导致的无法同时保证矩形管道和圆形管道内膨胀和压缩波的匹配问题，使得内流道截面为圆形变矩形的超声速流道的设计更加灵活。
文档编号F15D1/02GK102606564SQ20121010875
公开日2012年7月25日 申请日期2012年4月13日 优先权日2012年4月13日
发明者王振国, 赵玉新 申请人:中国人民解放军国防科学技术大学