专利名称：滑块式变马赫数喷管及其壁面确定方法
技术领域：
本发明涉及超声速喷管设计技术领域，具体而言，涉及一种滑块式变马赫数喷管及其壁面确定方法。
背景技术：
超声速喷管广泛的应用于高速飞机、火箭、超声速风洞、高能激光器、引射真空泵等设备中，喷管流场品质对设备的性能具有重要的影响。通过一定的设计技术获取适当的喷管壁面曲线可以大大改善喷管流场品质，提高设备性能，节省研究经费。超声速喷管一般由收缩段和扩张段组成，在一定压力驱动下，气体在收缩段逐渐加速，并在喉部附近达到声速，然后在扩张段继续加速，直至在出口形成所需要马赫数和流动方向角分布的超声速气流。
随着现代空气动力学的高速发展和广泛应用，连续变马赫数喷管具有越来越重要的应用前景。特别是在风洞领域，配有连续变马赫数喷管的风洞可以模拟飞行器加速、减速、巡航等状态，一次实验相当于传统单马赫数喷管几十次甚至上百次实验，而且更接近实际的飞行环境。
当前二维变马赫数喷管主要采用相对成熟的挠性喷管(柔壁喷管)技术。挠性喷管的壁面为具有一定刚度的薄板，薄板的形状由若干支点控制，通过改变支点的位置实现喷管型面的改变，进而获得不同的出口马赫数。但是，现有挠性喷管的作动机构十分复杂，每一个工作马赫数都需要大量的实验进行型面调整和流场校测，而且出口马赫数均匀度不闻。
另外一种应用较少的技术是专著《风洞设计原理》(伍荣林、王振羽编著，北京航空学院出版社，1985年)给出的滑块式喷管。这种喷管通过调整位于收缩段中的滑块的前后移动，形成尺寸不同的喉部截面，并使滑块与外壁共同构成不同的喷管曲线。但是，现有滑块式喷管仅仅通过流量和马赫数的关系式约束喷管曲线，未考虑流动的二维与三维特征，流场品质无法保证，非设计点马赫数不均匀度高达20%-30%以上，对实验数据的可信度影响很大。发明内容
本发明旨在提供一种滑块式变马赫数喷管及其壁面确定方法，以解决现有技术中滑块式变马赫数喷管的流场品质不好，非设计点马赫数不均匀度高的问题。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种滑块式变马赫数喷管壁面确定方法，包括:步骤10:根据喷管结构设计要求，确定部分壁面曲线作为固定壁面曲线，并确定滑块导轨壁面线、与该固定壁面曲线相配合的滑块壁面曲线、以及滑块进动距离与喷管出口马赫数的关系曲线；步骤20:根据滑块进动距离与喷管出口马赫数的关系曲线，利用特征线法确定滑块处于当前位置时所对应的待求壁面曲线；步骤30:沿远离喷管的出口的方向改变滑块在滑块导轨上的位置，使得当前设计马赫数的取值区间覆盖滑块进动距离与喷管出口马赫数关系曲线中的出口马赫数的所有值，确定各段待求壁面曲线；步骤40:根据滑块导轨壁面线、固定壁面曲线、与该固定壁面曲线相配合的滑块壁面曲线、以及各段待求壁面曲线确定滑块式变马赫数喷管壁面曲线。进一步地，步骤10还包括:步骤11:根据喷管结构设计要求确定滑块导轨壁面线出口端的端点，将滑块在滑块导轨上移动一段初始距离，然后确定滑块壁面曲线上任一点在滑块导轨壁面线上的投影点的坐标作为进动距离为零时的初始点的坐标；步骤12:根据喷管工作马赫数范围确定喷管出口最低设计马赫数，采用特征线法确定最低设计马赫数时的一段喷管壁面曲线，并以该喷管壁面曲线作为固定壁面曲线。进一步地，步骤12包括:步骤121:根据喷管结构设计要求确定喷管出口高度和喷管出口面积，并确定固定壁面曲线出口处的端点坐标；步骤122:根据滑块导轨壁面线、滑块壁面曲线和喷管出口边界采用特征线法求解喷管壁面曲线，该喷管壁面曲线上出口端的端点是固定壁面曲线出口处的端点；步骤123:在利用特征线法所确定的喷管壁面曲线上选取一点，该点的马赫数大于给定的满足喷管超声速设计要求的一个马赫数，该点为固定壁面曲线上远离出口端的端点，并以该固定壁面曲线的出口处的端点和固定壁面曲线上远离出口端的端点之间的喷管壁面曲线作为固定壁面曲线。进一步地，步骤20包括:步骤21:根据最低设计马赫数确定喷管出口流场参数，根据喷管出口流场参数采用特征线法确定固定壁面曲线远离出口的一端的端点开始的逆推特征线；步骤22:根据最低设计马赫数采用特征线法确定跨声速特征线；步骤23:根据逆推特征线和跨声速特征线采用特征线法确定最低设计马赫数对应的喷管的待求壁面曲线。进一步地，步骤22包括:步骤221:根据喷管结构设计要求确定喷管的入口高度，根据喷管入口高度确定喷管亚声速段的壁面曲线的入口端点的坐标；步骤222:根据喷管壁面曲线入口端点坐标靠近喷管入口端的端点的坐标采用二阶连续曲线法求解当前设计马赫数下的喷管亚声速段壁面曲线；步骤223:根据当前设计马赫数和喷管亚声速段壁面曲线确定当前待求壁面曲线靠近喷管入口端的端点的坐标，喷管亚声速段的壁面曲线的入口端点和待求壁面曲线靠近喷管入口端的端点所截取的喷管亚声速段壁面曲线作为当前设计马赫数下的亚声速段壁面曲线；步骤224:根据喷管亚声速段壁面曲线采用CFD方法确定喷管亚声速段流场，继而确定跨声速初值线；步骤225:根据跨声速初值线采用saure方法确定跨声速特征线。进一步地，步骤30包括:步骤31:将滑块在滑块导轨上移动单位进动距离，根据滑块进动距离与喷管出口马赫数关系曲线确定当前设计马赫数；步骤32:根据当前设计马赫数确定喷管出口流场参数，根据出口流场参数采用特征线法求解逆推特征线，逆推特征线的初始点为固定壁面靠近滑块一端的端点；步骤33:根据当前设计马赫数，采用特征线法确定喷管跨声速特征线；步骤34:根据跨声速特征线和逆推特征线采用特征线法确定当前待求壁面曲线。进一步地，特征线法包括预估步和校正步，校正步根据预估步的结果进行校正。根据本发明的另一方面，提供了一种滑块式变马赫数喷管，滑块式变马赫数喷管的壁面由上述的滑块式变马赫数喷管壁面确定方法确定。根据本发明的另一方面，提供了一种滑块式变马赫数喷管，包括滑块导轨、可移动地设置在滑块导轨上的滑块、第一壁面和连接壁面，连接壁面连接在滑块导轨与第一壁面之间，两个连接壁面分别位于滑块导轨的宽度方向上的两侧，第一壁面包括固定壁面和待求壁面，固定壁面根据固定壁面曲线延展后得到，待求壁面根据滑块进动距离与喷管出口马赫数的关系曲线利用特征线法确定的待求壁面延展后得到。应用本发明的技术方案能够实现如下技术效果:根据喷管结构设计要求，确定滑块导轨壁面线、固定壁面曲线、与该固定壁面曲线相配合的滑块壁面曲线以及滑块进动距离与喷管出口马赫数的关系曲线；根据滑块进动距离与喷管出口马赫数的关系曲线利用特征线法确定滑块处于当前位置时所对应的待求壁面曲线；改变滑块在滑块导轨上的位置，逐步确定各段待求壁面曲线；根据固定壁面曲线、与该固定壁面曲线相配合的滑块壁面曲线以及各段待求壁面曲线确定滑块式变马赫数喷管的壁面。本方法直接给定滑块进动距离与喷管出口马赫数的关系曲线，而不是事后验证相关曲线，简化了计算过程，采用特征线法确定各个马赫数下的壁面曲线，保证喷管出口马赫数与滑块的位置关系符合给定的关系曲线，同时本发明的确定方法确定的滑块变马赫数喷管不涉及复杂的挠性控制机构，结构简单，控制方便，也克服了传统的一维设计喷管的流场不均匀问题。
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，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1示出了本发明的滑块式变马赫数喷管壁面确定方法的固定壁面曲线、滑块导轨和滑块壁面曲线的示意图；图2示出了根据本发明的滑块式变马赫数喷管壁面确定方法形成的第一段待求壁面曲线的示意图；图3示出了根据本发明的滑块式变马赫数喷管壁面确定方法的跨声速特征线的求解方法的示意图；图4示出了根据本发明的滑块式变马赫数喷管壁面确定方法形成第二段待求壁面曲线的示意图；图5示出了根据本发明的滑块式变马赫数喷管壁面确定方法形成第三段待求壁面曲线的示意图；以及图6示出了根据本发明的滑块式变马赫数喷管壁面确定方法的特征线方程的求解过程的示意图。
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。在本发明中，超声速段的马赫数大于1.2，亚声速段的马赫数小于0.8，跨声速段的马赫数介于0.8至1.2之间。单位进动距离的取值由固定壁面曲线远离出口一端的端点到滑块壁面曲线上的垂直距离通过膨胀比的约束选定。根据本发明的实施例，滑块式变马赫数喷管的壁面通过以下方法确定。首先，根据喷管结构设计要求给定滑块进动距离与喷管出口马赫数的关系曲线X-Ma，根据喷管结构设计要求，确定滑块导轨壁面线1-2、滑块壁面曲线。参见图1，根据需要满足的滑块进动距离与喷管出口马赫数的关系曲线X-Ma确定喷管的最低设计马赫数，根据滑块导轨壁面线1-2和滑块壁面曲线采用特征线法确定最低设计马赫数下喷管的固定壁面曲线3-4。固定壁面曲线3-4的确定步骤为:首先，根据喷管结构设计要求确定喷管出口高度和喷管出口位置，进而确定滑块导轨壁面线1-2上的出口端的端点I的坐标、固定壁面曲线3-4出口端的端点3的坐标和出口边界及出口边界的参数，其中出口边界的参数包括出口马赫数、出口压强等；根据喷管结构设计要求确定滑块壁面曲线末端的端点在滑块导轨壁面线1-2上的投影点与滑块导轨壁面线1-2上的出口端的端点I之间的距离，并以该距离作为初始距离，将滑块在滑块导轨上移动一段初始距离，并确定滑块壁面曲线上任一点作为进动距离参考点，该参考点在滑块导轨壁面线1-2上的投影点的坐标作为滑块进动距离为零的初始点的坐标；在本实施例中，确定滑块壁面曲线末端端点(即滑块壁面曲线上靠近喷管出口端的端点)为参考点，以滑块壁面曲线末端端点在滑块导轨壁面线1-2上的投影点的坐标为进动距离为零的初始点的坐标。其次，根据滑块导轨壁面线1-2、滑块壁面曲线和出口马赫数采用特征线法确定由固定壁面曲线出口端的端点3出发的喷管壁面曲线，此时，出口马赫数为喷管结构设计要求中确定的最低设计马赫数。然后，根据喷管结构设计要求确定固定壁面曲线3-4上远离出口端的端点4的坐标，该端点4与固定壁面曲线3-4出口端的端点3所截取的已求的喷管壁面曲线即为固定壁面曲线3-4，且该端点4上的马赫数的值应大于一个给定值，该给定值使得喷管从端点4开始至喷管出口之间的喷管段均为超声速段，在本实施例中该给定值为1.05。如图2所示，在确定最低设计马赫数的喷管的固定壁面曲线3-4之后，可以根据滑块进动距离与喷管出口马赫数的关系曲线X-Ma，利用特征线法确定滑块处于进动距离为零的位置时所对应的待求壁面曲线4-t。其步骤为:根据最低设计马赫数确定喷管出口流场参数，根据出口流场参数、滑块导轨壁面线1-2、滑块壁面曲线和固定壁面曲线3-4采用特征线法求解逆推特征线4-5，该逆推特征线4-5的起点为固定壁面曲线上远离出口的一端的端点4。结合参见图3，根据喷管结构设计要求确定喷管的入口高度，从而确定亚声速段的喷管入口端的壁面曲线的端点a的坐标；根据端点a采用二阶连续曲线法或采用双三次曲线法或维氏曲线法或样条曲线法等其他求解喷管亚声速段壁面曲线的方法确定喷管亚声速段壁面曲线；根据滑块壁面曲线、喷管亚声速段壁面曲线和喉部声速线形状确定最低设计马赫数下的喷管喉部点t的坐标，端点a和喉部点t所截取的亚声速段曲线即为喷管的最低设计马赫数下的亚声速段壁面曲线；根据亚声速段壁面曲线采用CFD方法确定喷管亚声速段流场，继而确定跨声速初值线，根据该跨声速初值线采用saure方法确定跨声速特征线t_6。根据跨声速特征线t-6和逆推特征线4-5采用特征线法求解最低设计马赫数下的待求壁面曲线4-t。其中跨声速特征线t-6与滑块壁面曲线的交点6和逆推特征线4-5与滑块壁面曲线的交点5可以为同一点，也可以为不同的两个点。参见图4，在确定最低设计马赫数的喷管的第一段待求壁面曲线4-t之后，可以将滑块沿滑块导轨壁面线向喷管上游移动单位进动距离，也即向靠近喷管入口的方向移动单位距离，该单位进动距离的取值由固定壁面曲线远离出口一端的端点3到滑块壁面曲线上的垂直距离通过膨胀比的约束选定。根据进动距离与喷管出口马赫数关系曲线X-Ma确定滑块处在当前位置时的当前设计马赫数。
第一段待求壁面曲线4-t和固定壁面曲线3-4组成的新的固定壁面曲线3-t，根据新的固定壁面曲线3-t和喷管出口点3处当前设计马赫数，利用特征线法，确定新的逆推特征线t-5’，根据当前设计马赫数和喷管结构设计要求确定喷管的入口高度，从而确定喷管亚声速段的壁面曲线的入口端的端点a’的坐标；根据端点a’采用二阶连续曲线法或其他求解喷管新的亚声速段壁面曲线的方法确定喷管新的亚声速段壁面曲线；根据滑块壁面曲线和新的亚声速段壁面曲线确定与之对应的当前设计马赫数下的喷管喉部点t’的坐标，根据端点a’和喉部点t’所截取的喷管亚声速段壁面曲线作为当前设计马赫数下的喷管亚声速段壁面曲线，根据新的亚声速段壁面曲线采用CFD方法确定新的喷管亚声速段流场，继而确定新的跨声速初值线，根据新的跨声速初值线采用saure方法确定新的跨声速特征线t，-6，。
根据新的跨声速特征线t’ -6’和新的逆推特征线t_5’采用特征线法求解当前设计马赫数下的待求壁面曲线t_t’。
参加图5，在确定喷管的第二段待求壁面曲线t_t’之后，可以再将滑块沿滑块导轨壁面线向上游移动单位进动距离，也即向靠近喷管入口的方向移动单位进动距离，并确定新的当前设计马赫数和新的固定壁面曲线3-t’，并确定新的逆推特征线t’-5”和新的跨声速特征线t”-6”，采用特征线法求解待求壁面曲线t’ -t”。
依次重复上述步骤，直至当前设计马赫数的值覆盖整个进动距离与喷管出口马赫数关系曲线X-Ma中的所有马赫数的值。根据各段待求壁面曲线、固定壁面曲线、滑块导轨线和滑块壁面曲线确定喷管的壁面曲线。
求解一个特征线单元的过程如图6所示。
求解一个特征线单元的过程如下:
假设已知曲线上的两点(Xpi^M1, Θ 1；), (x2, r2, M2, θ2)，需要求解第三点(x3, r3,M3, θ3)时，可利用图6所示的过程进行求解。
在求解过程中，首先根据预估步对第三点进行求解，然后对求解值进行校正，获得校正之后的第二点的坐标、马赫数和流动方向角。
预估步包括:
先求解(x3，r3)，
μ !=Sin^1(IZM1)`
μ 2 = sirf1 (I/M2)
h^tan [ Θ j+ μ J
h2=tan [ θ 2-μ 2]
根据差分方程有:
(X3-X1)
r3-r2=h2(X3-X2)
两式相减可得:
T1-T2= {h2-hj XfXih1-X2Ii2
求得第三点的坐标
权利要求
1.一种滑块式变马赫数喷管壁面确定方法，其特征在于，包括: 步骤10:根据喷管结构设计要求，确定部分壁面曲线作为固定壁面曲线，并确定滑块导轨壁面线、与该固定壁面曲线相配合的滑块壁面曲线、以及滑块进动距离与喷管出口马赫数的关系曲线； 步骤20:根据滑块进动距离与喷管出口马赫数的关系曲线，利用特征线法确定滑块处于当前位置时所对应的待求壁面曲线； 步骤30:沿远离喷管 的出口的方向改变滑块在滑块导轨上的位置，使得当前设计马赫数的取值区间覆盖滑块进动距离与喷管出口马赫数的关系曲线中的出口马赫数的所有值，确定各段待求壁面曲线； 步骤40:根据滑块导轨壁面线、固定壁面曲线、与该固定壁面曲线相配合的滑块壁面曲线、以及各段待求壁面曲线确定滑块式变马赫数喷管壁面曲线。
2.根据权利要求1所述的滑块式变马赫数喷管壁面确定方法，其特征在于，所述步骤10还包括: 步骤11:根据喷管结构设计要求确定滑块导轨壁面线出口端的端点，将滑块在滑块导轨上移动一段初始距离，然后确定滑块壁面曲线上任一点在滑块导轨壁面线上的投影点的坐标作为进动距离为零时的初始点的坐标； 步骤12:根据喷管工作马赫数范围确定喷管出口最低设计马赫数，采用特征线法确定最低设计马赫数时的一段喷管壁面曲线，并以该喷管壁面曲线作为固定壁面曲线。
3.根据权利要求2所述的滑块式变马赫数喷管壁面确定方法，其特征在于，所述步骤12包括: 步骤121:根据喷管结构设计要求确定喷管出口高度和喷管出口面积，并确定固定壁面曲线出口处的端点坐标； 步骤122:根据滑块导轨壁面线、滑块壁面曲线和喷管出口边界采用特征线法求解喷管壁面曲线，该喷管壁面曲线上出口端的端点是固定壁面曲线出口处的端点； 步骤123:在利用特征线法所确定的喷管壁面曲线上选取一点，该点的马赫数大于给定的满足喷管超声速设计要求的一个马赫数，该点为固定壁面曲线上远离出口端的端点，并以该固定壁面曲线的出口处的端点和固定壁面曲线上远离出口端的端点之间的喷管壁面曲线作为固定壁面曲线。
4.根据权利要求2所述的滑块式变马赫数喷管壁面确定方法，其特征在于，所述步骤20包括: 步骤21:根据最低设计马赫数确定喷管出口流场参数，根据喷管出口流场参数采用特征线法确定固定壁面曲线远离出口的一端的端点开始的逆推特征线； 步骤22:根据最低设计马赫数采用特征线法确定跨声速特征线； 步骤23:根据逆推特征线和跨声速特征线采用特征线法确定最低设计马赫数对应的喷管的待求壁面曲线。
5.根据权利要求4所述的滑块式变马赫数喷管壁面确定方法，其特征在于，所述步骤22包括: 步骤221:根据喷管结构设计要求确定喷管的入口高度，根据喷管入口高度确定喷管亚声速段的壁面曲线的入口端点的坐标；步骤222:根据喷管壁面曲线入口端点坐标靠近喷管入口端的端点的坐标采用二阶连续曲线法求解当前设计马赫数下的喷管亚声速段壁面曲线； 步骤223:根据当前设计马赫数和喷管亚声速段壁面曲线确定当前待求壁面曲线靠近喷管入口端的端点的坐标，喷管亚声速段的壁面曲线的入口端点和待求壁面曲线靠近喷管入口端的端点所截取的喷管亚声速段壁面曲线作为当前设计马赫数下的亚声速段壁面曲线.步骤224:根据喷管亚声速段壁面曲线采用CFD方法确定喷管亚声速段流场，继而确定跨声速初值线； 步骤225:根据跨声速初值线采用saure方法确定跨声速特征线。
6.根据权利要求5所述的滑块式变马赫数喷管壁面确定方法，其特征在于，所述步骤30包括: 步骤31:将滑块在滑块导轨上移动单位进动距离，根据滑块进动距离与喷管出口马赫数关系曲线确定当前设计马赫数； 步骤32:根据当前设计马赫数确定喷管出口流场参数，根据出口流场参数采用特征线法求解逆推特征线，所述逆推特征线的初始点为所述固定壁面靠近所述滑块一端的端点； 步骤33:根据当前设计马赫数，采用特征线法确定喷管跨声速特征线； 步骤34:根据跨声速特征线和逆推特征线采用特征线法确定当前待求壁面曲线。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的滑块式变马赫数喷管壁面确定方法，其特征在于，所述特征线法包括预估步和校正步，所述校正步根据预估步的结果进行校正。
8.一种滑块式变马赫数喷管，其特征在于，所述滑块式变马赫数喷管的壁面由权利要求I至7中任一项所述的滑块式变马赫数喷管壁面确定方法确定。
9.一种滑块式变马赫数喷管，其特征在于，包括滑块导轨、可移动地设置在滑块导轨上的滑块、第一壁面和连接壁面，所述连接壁面连接在所述滑块导轨与所述第一壁面之间，两个所述连接壁面分别位于所述滑块导轨的宽度方向上的两侧，所述第一壁面包括固定壁面和待求壁面，所述固定壁面根据固定壁面曲线延展后得到，所述待求壁面根据滑块进动距离与喷管出口马赫数的关系曲线利用特征线法确定的待求壁面延展后得到。
全文摘要
本发明提供一种滑块式变马赫数喷管及其壁面确定方法。滑块式变马赫数喷管壁面确定方法包括根据喷管结构设计要求确定部分壁面曲线作为固定壁面曲线并确定滑块导轨壁面线、滑块壁面曲线、进动距离与出口马赫数的关系曲线；根据进动距离与出口马赫数的关系曲线，利用特征线法确定滑块处于当前位置时所对应的待求壁面曲线；改变滑块在滑块导轨上的位置，使得当前设计马赫数的值区间覆盖进动距离与出口马赫数关系曲线中的出口马赫数的所有值，确定各段待求壁面曲线；根据滑块导轨壁面线、固定壁面曲线、滑块壁面曲线、各段待求壁面曲线确定喷管的壁面曲线。通过该方法确定的喷管的出口流场均匀度高且出口马赫数能够很好的符合预先给定的出口马赫数。
文档编号B05B1/34GK103143461SQ20131004615
公开日2013年6月12日 申请日期2013年2月5日 优先权日2013年2月5日
发明者赵玉新, 王振国 申请人:中国人民解放军国防科学技术大学