专利名称：超声速流道的实现方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明空气动力设计领域，具体而言，涉及一种超声速流道的实现方法及装置。
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，一般是二维或轴对称构型，因此其截面一般是圆形、环形或矩形。随着现代空气动力学的发展， (此处删去回车，并为一段)截面为椭圆形、星形、多边形等形状的异型流道有着越来越广泛的用途，如增强两股气流间的混合、提高超声速流道的结构强度等。由于失去了几何上的对称性，传统的流道设计方法无法应用于异型出口截面流道设计中，因此，目前异形截面流道还没有较为成熟的设计技术，与之相近的是二维或轴对称超声速流道设计方法。现有的超声速流道设计方法一般步骤如下(I)根据收缩比和长径比的要求，设计亚声速段曲线；(2)根据亚声速段曲线确定喉部的超声速初值线；(3)根据超声速初值线和一定的理论公式确定超声速段的马赫数分布；(4)根据超声速段的马赫数分布确定超声速段壁面。在上述超声速流道的设计方法中，只能设计二维或轴对称流道，无法设计出异型出口截面流道。此外，在现有的超声速流道设计方法，只通过简单的曲面插值而不考虑气动特性，所设计的异型出口截面流道流场品质难以保证。针对相关技术中的无法设计出口截面为异型的超声速流道问题，目前尚未提出有效的解决方案。
发明内容
针对相关技术中的无法设计异型出口截面流道问题，本发明提供了一种超声速流道的实现方法及装置，以至少解决上述问题。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，包括根据预设的异型出口截面的形状获取该形状的外接圆；计算外接圆的圆心到异型出口截面的形状的距离；从超声速流道的流线族中选择与该距离相对应的流线，其中，选择出的流线构成超声速流道的壁面的曲面形状。优选的，计算外接圆的圆心到异型出口截面的形状的距离的步骤包括获取圆心到外接圆的圆周上的每个点的连线；获取连线与形状的边的第一交点；计算圆心到第一交点的距离，其中，圆心到第一交点的距离为外接圆的圆心到异型出口截面的形状的距离。优选的，从超声速流道的流线族中选择与距离相对应的流线的步骤包括获取流线族中的各流线与超声速流道的出口连接线之间的第二交点，其中，出口连接线为超声速流道的出口点与该出口点相对于超声速流道的中心线的镜像点的连接线；获取中心线与超声速流道的出口连接线之间的第三交点；计算第二交点与第三交点之间的距离；若第二交点与第三交点之间的距离为外接圆的圆心到异型出口截面的形状的距离，则选择与该第二交点对应的流线。优选的，通过以下步骤获取中心线根据预设的异型出口截面的进口位置和出口位置以及马赫数约束确定中心线的坐标和长度。优选的，通过以下步骤获取超声速流道的出口点以及该出口点的镜像点根据马赫数分布以及出口流场设计约束确定出口点；根据中心线、特征线法以及确定出的出口点生成超声速流道的曲线型面；将曲线型面相对于中心线进行镜像得到出口点的镜像点。优选的，异型出口截面的形状包括以下之一多边形截面、曲线截面、星形截面以及多连通截面。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，包括获取单元，用于根据预设的异型出口截面的形状获取形状的外接圆；计算单元，用于计算外接圆的圆心到异型出口截面的形状的距离；选择单元，用于从超声速流道的流线族中选择与距离相对应的流线，其中，选择出的流线构成超声速流道的壁面的曲面形状。优选的，计算单元包括第一获取模块，用于获取圆心到外接圆的圆周上的每个点的连线；第二获取模块，用于获取连线与形状的边的第一交点；计算模块，用于计算圆心到第一交点的距离，其中，圆心到第一交点的距离为外接圆的圆心到异型出口截面的形状的距离。优选的，选择单元包括第三获取模块，用于获取流线族中的各流线与超声速流道的出口连接线之间的第二交点，其中，出口连接线为超声速流道的出口点与该出口点相对于超声速流道的中心线的镜像点的连接线；第四获取模块，用于获取中心线与超声速流道的出口连接线之间的第三交点；计算模块，用于计算第二交点与第三交点之间的距离；选择模块，用于选择第二交点与第三交点之间的距离为外接圆的圆心到异型出口截面的形状的距离的第二交点对应的流线。优选的，第三获取模块包括第一确定子模块，用于根据预设的异型出口截面的进口位置和出口位置以及马赫数约束确定中心线的坐标和长度；第二确定子模块，用于根据马赫数分布以及出口流场设计约束确定出口点；生成子模块，用于根据中心线、特征线法以及确定出的出口点生成超声速流道的曲线型面；镜像子模块，用于将曲线型面相对于中心线进行镜像得到出口点的镜像点。通过本发明，先获取预设的异型出口截面的形状获取形状的外接圆，通过确定的外接圆的流线族和预设的异型出口截面来获取出口截面为异型的超声速流道，解决了相关技术中的无法设计出口截面为异型的超声速流道问题，达到了实现超声速流道的出口截面为异型的技术效果。
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流程图；图2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结构框图；图3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结构框图；图4是根据本发明实施例的超声速流道的实现方法中截面形状为多边形截面的
5示意图；图5是根据本发明实施例的超声速流道的实现方法中截面形状为曲线截面的示 意图；图6是根据本发明实施例的超声速流道的实现方法中截面形状为星形截面的示 意图；图7是根据本发明实施例的超声速流道的实现方法中截面形状为多连通截面的 示意图；图8是根据本发明实施例的超声速流道的实现方法中多边形截面对应的外接圆；图9是根据本发明实施例的超声速流道的实现方法中曲线截面对应的外接圆；图10是根据本发明实施例的超声速流道的实现方法中星形截面对应的外接圆；图11是根据本发明实施例的超声速流道的实现方法中多连通截面的外接圆；图12是根据本发明实施例的超声速流道的中心线及其马赫数分布；图13是根据本发明实施例的根据特征线法设计流道的曲线壁面的示意图；图14是根据本发明实施例的超声速流道的实现方法中流线族的示意图；图15是根据本发明实施例的超声速流道的实现方法中确定多边形截面的流线；图16是根据本发明实施例的超声速流道的实现方法中确定曲线截面的流线；图17是根据本发明实施例的超声速流道的实现方法中确定星形截面的流线；图18是根据本发明实施例的超声速流道的实现方法中确定多连通截面的流线； 以及图19是根据本发明实施例的超声速流道的实现方法中特征线法迭代公式的示意 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1本发明提供了一种超声速流道的实现方法，图1为本发明超声速流道的实现方法 的一种优选流程图，如图1所示，该方法包括S102，根据预设的异型出口截面的形状获取形状的外接圆；S104，计算外接圆的圆心到异型出口截面的形状的距离；S106，从超声速流道的流线族中选择与距离相对应的流线，其中，选择出的流线构 成超声速流道的壁面的曲面形状。上述实施例中，先获取预设的异型出口截面的形状获取形状的外接圆，通过确定 的外接圆的流线族和预设的异型出口截面来获取出口截面为异型的超声速流道，解决了相 关技术中的无法设计出口截面为异型的超声速流道问题，达到了实现超声速流道的出口截 面为异型的技术效果。为了计算外接圆的圆心到异型出口截面的形状的距离，本发明还提供了一种优选 的计算方法，具体的，计算外接圆的圆心到异型出口截面的形状的距离的步骤包括获取圆 心到外接圆的圆周上的每个点的连线；获取连线与形状的边的第一交点；计算圆心到第一交点的距离，其中，圆心到第一交点的距离为外接圆的圆心到异型出口截面的形状的距离。 上述技术方案的实施，可以达到通过外接圆的半径来确定外接圆的圆心到异型出口截面的形状的距离的技术效果。本发明还提供了一种优选的从超声速流道的流线族中选择与距离相对应的流线的方法，具体的，该方法包括获取流线族中的各流线与超声速流道的出口连接线之间的第二交点，其中，出口连接线为超声速流道的出口点与该出口点相对于超声速流道的中心线的镜像点的连接线；获取中心线与超声速流道的出口连接线之间的第三交点；计算第二交点与第三交点之间的距离；若第二交点与第三交点之间的距离为外接圆的圆心到异型出口截面的形状的距离，则选择与该第二交点对应的流线。上述技术方案的实施，可以达到通过简单的运算即可从超声速流道的流线族中选择与距离相对应的流线的技术效果。本发明还提供了一种获取中心线的方案，优选的，该方案包括根据预设的异型出口截面的进口位置和出口位置以及马赫数约束确定中心线的坐标和长度。为了获取超声速流道的出口点以及该出口点的镜像点，本发明提供了一种优选的方法，该方法包括根据马赫数分布以及出口流场设计约束确定出口点；根据中心线、特征线法以及确定出的出口点生成超声速流道的曲线型面；将曲线型面相对于中心线进行镜像得到出口点的镜像点。上述技术方案的实施，可以达到仅仅通过简单的几何运算即可获取超声速流道的出口点以及该出口点的镜像点的技术效果。优选的，上述异型出口截面的形状包括以下之一多边形截面、曲线截面、星形截面以及多连通截面。上述技术方案的实施，可以达到该超声速流道的实现方法对多种异型出口截面的超声速流道的设计。实施例2本发明提供了一种超声速流道的实现装置，图2为本发明超声速流道的实现装置的一种优选结构框图，如图2所示，该装置包括获取单元202，用于根据预设的异型出口截面的形状获取形状的外接圆；计算单元204，用于计算外接圆的圆心到异型出口截面的形状的距离；选择单元206，用于从超声速流道的流线族中选择与距离相对应的流线，其中， 选择出的流线构成超声速流道的壁面的曲面形状。上述实施例中，先获取预设的异型出口截面的形状获取形状的外接圆，通过确定的外接圆的流线族和预设的异型出口截面来获取出口截面为异型的超声速流道，解决了相关技术中的无法设计出口截面为异型的超声速流道问题，达到了实现超声速流道的出口截面为异型的技术效果。本发明还对上述计算单元204进行了改进,优选的,如图3所示，计算单元204包括第一获取模块2042，用于获取圆心到外接圆的圆周上的每个点的连线；第二获取模块 2044，用于获取连线与形状的边的第一交点；计算模块2046，用于计算圆心到第一交点的距离，其中，圆心到第一交点的距离为外接圆的圆心到异型出口截面的形状的距离。上述技术方案的实施，可以达到通过外接圆的半径来确定外接圆的圆心到异型出口截面的形状的距离的技术效果。本发明还对上述选择单元206进行了改进，优选的，如图3所示，选择单元206包括第三获取模块2062，用于获取流线族中的各流线与超声速流道的出口连接线之间的第二交点，其中，出口连接线为超声速流道的出口点与该出口点相对于超声速流道的中心线的镜像点的连接线；第四获取模块2064，用于获取中心线与超声速流道的出口连接线之间的第三交点；计算模块2066，用于计算第二交点与第三交点之间的距离；选择模块2068，用于选择第二交点与第三交点之间的距离为外接圆的圆心到异型出口截面的形状的距离的第二交点对应的流线。上述技术方案的实施，可以达到通过简单的运算即可从超声速流道的流线族中选择与距离相对应的流线的技术效果。本发明还对上述第三获取模块2062进行了改进，优选的，如图3所示，第三获取模块2062包括第一确定子模块20622，用于根据预设的异型出口截面的进口位置和出口位置以及马赫数约束确定中心线的坐标和长度。本发明还对上述第三获取模块2062进行了改进，优选的，如图3所示，第三获取模块2062还包括第二确定子模块20624，用于根据马赫数分布以及出口流场设计约束确定出口点；生成子模块20626，用于根据中心线、特征线法以及确定出的出口点生成超声速流道的曲线型面；镜像子模块20628，用于将曲线型面相对于中心线进行镜像得到出口点的镜像点。优选的，上述异型出口截面的形状包括以下之一多边形截面、曲线截面、星形截面以及多连通截面。上述技术方案的实施，可以达到该超声速流道的实现装置完成对多种异型出口截面的超声速流道的设计。实施例3本发明还提供了另一种优选的超声速流道的实现方法，具体的，该方法包括SI,根据结构设计要求确定出口截面形状；优选的，如图4-图7所示，出口截面形状包括但不限于以下形状之一多边形截面、曲线截面、星形截面以及多连通截面。S2，确定出口截面的外接圆；图8-图11分别对应于上述图4-图7中出口截面的外接圆，在图8-图11中，虚线表示根据结构设计要求确定出口截面形状，实线表示该出口截面的外接圆。S3，采用特征线法设计所确定的圆形流道，其中，包括a)根据进出口位置和马赫数约束，确定中心线长度及其马赫数分布；图12示出所确定的中心线长度及其马赫数分布，其中，AB为中心线。b)根据中心线长度及其马赫数分布，和出口流场设计约束，确定出口点D，如图13 所示，根据特征线法设计流道的曲线型面D-C，根据对称性，将D-C关于A-B镜像，得到对边壁面D’ -C’。优选的，此处附上特征线法迭代公式已知两点=CKx1,!T1, M1, 0 ) , P(x2, r2, M2, 0 2)求解第三个点Q(x3，r3，M3，0 3)(四个方程，四个未知数)，如图19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 I = SirT1 (I/M)，为点 的马赫角，u 2 = SirT1 (!/M2),为点 P 的马赫角，
h: = tan[ 0 ^ U J，为点Q发出的左行特征线的斜率h2 = tan[ 0 2_ ii 2]，为点P发出的右行特征线的斜率根据差分方程有T^r1 = Ii1 (X3-X1)r3-r2 = h2 (X3-X2)两式相减可得T1-T2 = {h2-hj XjXih1-X2Ii2由此得到点Q的坐标
权利要求
1.一种超声速流道的实现方法，其特征在于，包括根据预设的异型出口截面的形状获取所述形状的外接圆；计算所述外接圆的圆心到所述异型出口截面的形状的距离；从超声速流道的流线族中选择与所述距离相对应的流线，其中，选择出的流线构成所述超声速流道的壁面的曲面形状。
2.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，所述计算所述外接圆的圆心到所述异型出口截面的形状的距离的步骤包括获取所述圆心到所述外接圆的圆周上的每个点的连线；获取所述连线与所述形状的边的第一交点；计算所述圆心到所述第一交点的距离，其中，所述圆心到所述第一交点的距离为所述外接圆的圆心到所述异型出口截面的形状的距离。
3.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，所述从超声速流道的流线族中选择与所述距离相对应的流线的步骤包括获取所述流线族中的各流线与所述超声速流道的出口连接线之间的第二交点，其中， 所述出口连接线为所述超声速流道的出口点与该出口点相对于所述超声速流道的中心线的镜像点的连接线；获取所述中心线与所述超声速流道的出口连接线之间的第三交点；计算所述第二交点与所述第三交点之间的距离；若所述第二交点与所述第三交点之间的距离为所述外接圆的圆心到所述异型出口截面的形状的距离，则选择与该第二交点对应的流线。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，通过以下步骤获取所述中心线根据预设的异型出口截面的进口位置和出口位置以及马赫数约束确定所述中心线的坐标和长度。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，通过以下步骤获取所述超声速流道的出口点以及该出口点的镜像点根据马赫数分布以及出口流场设计约束确定所述出口点；根据所述中心线、所述特征线法以及确定出的出口点生成所述超声速流道的曲线型面；将所述曲线型面相对于所述中心线进行镜像得到所述出口点的镜像点。
6.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，所述异型出口截面的形状包括以下之一 多边形截面、曲线截面、星形截面以及多连通截面。
7.一种超声速流道的实现装置，其特征在于，包括获取单元，用于根据预设的异型出口截面的形状获取所述形状的外接圆；计算单元，用于计算所述外接圆的圆心到所述异型出口截面的形状的距离；选择单元，用于从超声速流道的流线族中选择与所述距离相对应的流线，其中，选择出的流线构成所述超声速流道的壁面的曲面形状。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述计算单元包括第一获取模块，用于获取所述圆心到所述外接圆的圆周上的每个点的连线；第二获取模块，用于获取所述连线与所述形状的边的第一交点；计算模块，用于计算所述圆心到所述第一交点的距离，其中，所述圆心到所述第一交点的距离为所述外接圆的圆心到所述异型出口截面的形状的距离。
9.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述选择单元包括第三获取模块，用于获取所述流线族中的各流线与所述超声速流道的出口连接线之间的第二交点，其中，所述出口连接线为所述超声速流道的出口点与该出口点相对于所述超声速流道的中心线的镜像点的连接线；第四获取模块，用于获取所述中心线与所述超声速流道的出口连接线之间的第三交占.计算模块，用于计算所述第二交点与所述第三交点之间的距离；选择模块，用于选择所述第二交点与所述第三交点之间的距离为所述外接圆的圆心到所述异型出口截面的形状的距离的所述第二交点对应的流线。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述第三获取模块包括第一确定子模块，用于根据预设的异型出口截面的进口位置和出口位置以及马赫数约束确定所述中心线的坐标和长度；第二确定子模块，用于根据马赫数分布以及出口流场设计约束确定所述出口点；生成子模块，用于根据所述中心线、所述特征线法以及确定出的出口点生成所述超声速流道的曲线型面；镜像子模块，用于将所述曲线型面相对于所述中心线进行镜像得到所述出口点的镜像
全文摘要
本发明公开了一种超声速流道的实现方法及装置，其中，该方法包括根据预设的异型出口截面的形状获取该形状的外接圆；计算外接圆的圆心到异型出口截面的形状的距离；从超声速流道的流线族中选择与该距离相对应的流线，其中，选择出的流线构成超声速流道的壁面的曲面形状。本发明解决了相关技术中的无法设计出口截面为异型的超声速流道问题，达到了实现超声速流道的出口截面为异型的技术效果。
文档编号F15D1/02GK102606565SQ20121010905
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