1.本发明涉及飞行器结构试验技术领域，尤其涉及一种轴对称天线罩包罩试验喷管型线设计方法。
背景技术：2.随着现代飞行器飞行速度越来越快，位于飞行器头部的天线罩面临着严酷的力热载荷环境。为确保天线罩结构安全，保证天线罩内部设备正常工作，需要对天线罩结构进行地面考核试验。传统的天线罩力热联合试验中，力载荷加载方式主要为皮囊或者卡箍，热载荷加载方式主要为石英灯，无法模拟天线罩表面压力分布，也没有气流的剪切、冲刷效应；射流试验能够真实模拟天线罩表面压力，但能量利用率低、成本较高。
3.因此，现有技术中缺少一种能够节省气流流量和加热功率，提升能量利用率的轴对称天线罩包罩试验喷管型线设计方法。
技术实现要素：4.鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种轴对称天线罩包罩试验喷管型线设计方法，用以解决现有天线罩包罩试验中能量利用率低、成本较高的问题。
5.一方面，本发明实施例提供了一种轴对称天线罩包罩试验喷管型线设计方法，包括：
6.设置喉道间隙尺寸以及喷管上各控制点的轴向位置，计算喉道面积，并根据各控制点压力计算来流总压及各控制点的流动马赫数；
7.根据所述各控制点的流动马赫数和所述喉道面积，计算各控制点的无粘流道间隙尺寸；
8.根据所述来流总压及各控制点的流动马赫数，计算各控制点的流道间隙边界层厚度；
9.根据所述各控制点的轴向位置、所述无粘流道间隙尺寸和所述流道间隙边界层厚度，计算各控制点坐标，将得到的所述控制点拟合成连续光滑曲线，生成喷管型线。
10.进一步地，所述根据所述各控制点的轴向位置、所述无粘流道间隙尺寸和所述流道间隙边界层厚度，计算各控制点坐标，包括：
11.根据所述无粘流道间隙尺寸，以及所述流道间隙边界层厚度计算各控制点的流道间隙尺寸；
12.根据所述各控制点的轴向位置、所述流道间隙尺寸和所述控制点对应的天线罩外表面半径，计算各控制点坐标。
13.进一步地，所述各控制点坐标，表达为：
14.(xi,yi)＝(xi,ri+δi)
15.δi＝δi'+2δ
i”16.其中，xi为第i个控制点与天线罩顶点的轴向距离，yi为第i个控制点与天线罩旋转
轴间的纵向距离，ri为第i个控制点对应的天线罩外表面半径，δi为第i个控制点的流道间隙尺寸，δi'为第i个控制点的无粘流道间隙尺寸，δ
i”为第i个控制点的流道间隙边界层厚度。
17.进一步地，所述根据所述各控制点的流动马赫数和所述喉道面积，计算各控制点无粘流道间隙尺寸，包括：
18.根据第i个控制点的马赫数、喉道面积和气体比热比计算第i个控制点处的无粘流道面积；
19.根据所述第i个控制点处的无粘流道面积和第i个控制点对应的天线罩外表面半径计算所述无粘流道间隙尺寸。
20.进一步地，第i个控制点处的所述无粘流道间隙尺寸δi'，表达为：
[0021][0022][0023]
其中，σi为第i个控制点处的无粘流道面积，ri为第i个控制点对应的天线罩外表面半径，σ
*
为喉道面积，mai为第i个控制点的马赫数，γ为气体比热比。
[0024]
进一步地，所述根据所述来流总压及各控制点的流动马赫数，计算各控制点的流道间隙边界层厚度，包括：
[0025]
根据第i个控制点的马赫数、来流总温和气体比热比计算第i个控制点处的气流温度；
[0026]
根据所述第i个控制点处的气流温度、第i个控制点压力和理想气体常数计算第i个控制点处的气流密度；
[0027]
根据所述第i个控制点处的气流密度和气流温度计算第i个控制点处的气流雷诺数；
[0028]
根据所述第i个控制点处的气流雷诺数和第i个控制点与天线罩顶点的轴向距离，计算第i个控制点的流道间隙边界层厚度。
[0029]
进一步地，所述第i个控制点的流道间隙边界层厚度δ
i”，表达为：
[0030][0031][0032][0033][0034]
其中，xi为第i个控制点与天线罩顶点的轴向距离，rexi为第i个控制点处的气流雷诺数，ti为第i个控制点处的气流温度，ρi为第i个控制点处的气流密度，pi为第i个控制点压力，r为理想气体常数，t0为来流总温，γ为气体比热比，mai为第i个控制点的马赫数。
[0035]
进一步地，设置喉道间隙尺寸以及各控制点的轴向位置，计算喉道面积，并根据各
控制点压力计算来流总压及各控制点的流动马赫数，包括：
[0036]
根据待测天线罩尺寸和电弧加热器的质量流量设置喉道位置、喉道间隙尺寸初始值以及各控制点的轴向位置；
[0037]
根据所述喉道间隙尺寸计算喉道面积；
[0038]
根据所述各控制点压力，确定来流总压及各控制点的流动马赫数，并满足天线罩顶点和喉道之间控制点的马赫数小于1，喉道外远离顶点方向的控制点的马赫数大于1；
[0039]
根据所述喉道面积及来流总压，计算空气质量流量，判断所述空气质量流量是否小于电弧加热器所能提供的最大空气质量流量g
max
；
[0040]
当所述空气质量流量大于所述最大空气质量流量g
max
时，减小喉道间隙尺寸，重新计算空气质量流量，直至所述空气质量流量小于所述最大空气质量流量g
max
；
[0041]
其中，所述各控制点压力为天线罩上与各控制点轴向位置相同的位置处的考核压力。
[0042]
进一步地，所述根据所述各控制点压力，确定来流总压及各控制点的流动马赫数包括：根据如下公式确定来流总压及各控制点的流动马赫数：
[0043][0044]
其中，p0为来流总压，γ为气体比热比，pi为第i个控制点压力，mai为第i个控制点的马赫数。
[0045]
进一步地，所述空气质量流量g，表达为：
[0046][0047][0048]
其中，p0为来流总压，σ
*
为喉道面积，cd为声速流量系数，t
*
为喉道处气流温度，t0为来流总温，γ为气体比热比，pi为第i个控制点压力，mai为第i个控制点的马赫数。
[0049]
与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：
[0050]
1、本发明利用一维变截面可压缩流动和边界层理论，设计包罩喷管型线，在电弧加热器产生的气流条件下可准确模拟天线罩表面压力分布，对天线罩结构承载能力验证更为真实；
[0051]
2、本发明通过天线罩外包覆一个随型包罩喷管，让电弧加热器产生的热气流在喷管和天线罩之间的缝隙内流动，可以在较小的加热功率和空气流量条件下，实现较高的压力和温度参数，能够显著节省气流流量和加热功率，能量利用率提升几十倍以上。
[0052]
本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。
附图说明
[0053]
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
[0054]
图1为本技术一个实施例所示的轴对称天线罩包罩试验喷管型线设计方法流程图；
[0055]
图2为本技术一个实施例所示的天线罩包罩喷管型线示意图；
[0056]
图3为本技术一个实施例所示的天线罩与喷管构成的流道间隙示意图；
[0057]
图4为本技术一个实施例所示的流道间隙中无粘流道及边界层示意图；
[0058]
图5为本技术一个实施例所示的某天线罩包罩喷管型线及压力仿真云图；
[0059]
图6为本技术一个实施例所示的喷管实现压力与考核要求对比图。
具体实施方式
[0060]
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本技术一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
[0061]
本发明的一个具体实施例，公开了一种轴对称天线罩包罩试验喷管型线设计方法，如图1所示，包括：
[0062]
s10、设置喉道间隙尺寸以及喷管上各控制点的轴向位置，计算喉道面积，并根据各控制点压力计算来流总压及各控制点的流动马赫数；
[0063]
具体地，天线罩的表面压力一般从天线罩顶点开始，往后压力逐渐降低。如距天线罩顶点x＝300mm截面压力为0.2mpa，距天线罩顶点x＝400mm截面压力为0.15mpa，如图2所示，包罩喷管是包覆在天线罩外面的，二者之间形成环形的缝隙流道，电弧加热器产生的热气流在喷管和天线罩之间的缝隙内流动，可以在较小的加热功率和空气流量条件下，实现较高的压力和温度参数，既能模拟天线罩表面压力分布，也能显著降低试验成本。本实施例就是以已知截面的压力为输入，来进行轴对称天线罩包罩试验喷管型线设计。
[0064]
具体地，设置喉道间隙尺寸以及各控制点的轴向位置，计算喉道面积，并根据各控制点压力计算来流总压及各控制点的流动马赫数，包括：
[0065]
s101、根据待测天线罩尺寸及电弧加热器质量流量设置喉道位置、喉道间隙尺寸初始值以及各控制点的轴向位置；
[0066]
具体地，对于亚声速包罩试验，喉道一般位于天线罩根部的金属框上，喉道间隙尺寸一般为5～15mm，喉道间隙尺寸主要取决于天线罩的尺寸以及电弧加热器所能提供的质量流量，电弧加热器所能提供的流量是一定的，质量流量与天线罩半径、喉道间隙尺寸成正比，因此如果天线罩半径较大，流道间隙尺寸须小一些。流道面积应在试验有效考核区域内最小，以保证气流在喉道位置达到声速，可选地，喉道尺寸可先根据电弧加热器的典型流量(即电弧加热器所能提供的最大流量的一半)进行估算。
[0067]
轴对称天线罩母线上的压力变化较为平缓，设置5～10个点即能满足设计要求，如图3所示，喉道附近可适当加密，在设置控制点时应注意控制点的设置应能够体现天线罩几何外形和表面压力的变化，同时方便拟合成光滑的喷管型线。可选地，本实施例中选用8个控制点。
[0068]
s102、根据所述喉道间隙尺寸计算喉道面积；
[0069]
具体地，喉道在天线罩根部金属环上，喉道面积与喉道位置对应的天线罩外表面半径和喉道间隙尺寸有关。喉道面积为喉道位置对应的天线罩外表面形成的圆沿喉道向圆外扩展喉道间隙长度形成的圆环的面积；所述喉道位置对应的天线罩外表面形成的圆是指天线罩上轴向位置与喉道轴向位置相同的位置处形成的圆，当天线罩外形和喉道间隙尺寸确定后，喉道面积就是一定的。
[0070]
s103、根据所述各控制点压力，确定来流总压及各控制点的流动马赫数，并满足天线罩顶点和喉道之间控制点的马赫数小于1，喉道外远离顶点方向的控制点的马赫数大于1；
[0071]
具体地，对于亚声速包罩试验，流道面积应在试验有效考核区域(即天线罩非金属部分)内气流为亚声速(即马赫数小于1)，在喉道外远离顶点方向的控制点处气流为超声速(即马赫数大于1)，具体地，使用一维变截面可压缩流动关系式，调整来流总压以及天线罩母线控制点处的流动马赫数，使天线罩母线控制点处的压力满足上述试验考核要求；设计过程中可根据需求设置多组数据进行对比，一方面模拟尽可能多的点压力，另一方面要保证有效考核区域内压力最低的点马赫数仍小于1。更具体地，一维变截面可压缩流动关系式中的总压～静压关系式，表达为：
[0072][0073]
其中，p0为来流总压，单位为帕(pa)；γ为气体比热比；pi为第i个控制点压力，单位为帕(pa)；mai为第i个控制点的马赫数。
[0074]
可选地，来流总压p0依经验设置初始值为260kpa；气体比热比γ在来流总温不高于1000℃时取1.4。
[0075]
需要说明的是，上述控制点压力是指天线罩上与各控制点轴向位置相同的位置处的考核压力，是根据试验需要预先设置好的。
[0076]
s104、根据所述喉道面积及来流总压，计算空气质量流量，判断所述空气质量流量是否小于电弧加热器所能提供的最大空气质量流量g
max
；最大空气质量流量g
max
是电弧加热器的重要性能参数，其受管道直径、气源压力、结构强度限制。国内大多数电弧加热器最大流量不超过10kg/s。
[0077]
所述根据所述喉道面积及来流总压，计算空气质量流量，包括：根据来流总温和气体比热比计算喉道处气流温度；根据所述喉道处气流温度、来流总温、喉道面积和声速流量系数计算空气流量质量。所述空气质量流量g，表达为：
[0078][0079][0080]
其中，p0为来流总压；σ
*
为喉道面积，单位为平方米(m2)；cd为声速流量系数；t
*
为喉道处气流温度，单位为开尔文(k)；t0为来流总温，单位为开尔文(k)；γ为气体比热比；pi为第i个控制点压力；mai为第i个控制点的马赫数。
[0081]
可选地，声速流量系数cd，取0.96～0.98。
[0082]
s105、当所述空气质量流量大于所述最大空气质量流量g
max
时，减小喉道间隙尺寸，重复步骤s102至s104重新计算空气质量流量，直至所述空气质量流量小于所述最大空气质量流量g
max
；
[0083]
s20、根据所述各控制点的流动马赫数和所述喉道面积，计算各控制点的无粘流道间隙尺寸，具体包括：
[0084]
根据第i个控制点的马赫数、喉道面积和气体比热比计算第i个控制点处的无粘流道面积，第i个控制点处的无粘流道面积σi，单位为平方米(m2)，表达为：
[0085][0086]
其中，σ
*
为喉道面积，mai为第i个控制点的马赫数，γ为气体比热比。
[0087]
根据所述第i个控制点处的无粘流道面积和第i个控制点对应的天线罩外表面半径计算所述无粘流道间隙尺寸。所述第i个控制点对应的天线罩外表面半径是指天线罩上轴向位置与第i个控制点轴向位置相同的位置处的半径。
[0088]
具体地，第i个控制点处的所述无粘流道间隙尺寸δi'，单位为米(m)，表达为：
[0089][0090]
其中，σi为第i个控制点处的无粘流道面积；ri为第i个控制点对应的天线罩外表面半径，单位为米(m)；σ
*
为喉道面积，mai为第i个控制点的马赫数，γ为气体比热比。
[0091]
s30、根据所述来流总压及各控制点的流动马赫数，计算各控制点的流道间隙边界层厚度，包括：
[0092]
s301、根据第i个控制点的马赫数、来流总温和气体比热比计算第i个控制点处的气流温度；具体地，第i个控制点处的气流温度，表达为：
[0093][0094]
其中，ti为第i个控制点处的气流温度，pi为第i个控制点压力，t0为来流总温，γ为气体比热比，mai为第i个控制点的马赫数。
[0095]
s302、根据所述第i个控制点处的气流温度、第i个控制点压力和理想气体常数计算第i个控制点处的气流密度；具体地，第i个控制点处的气流密度ρi，表达为：
[0096][0097]
其中，ti为第i个控制点处的气流温度，pi为第i个控制点压力，r为理想气体常数，理想气体常数r＝287j/(kg*k)。
[0098]
s303、根据所述第i个控制点处的气流密度和气流温度计算第i个控制点处的气流雷诺数；具体地，第i个控制点处的气流雷诺数rexi，表达为：
[0099][0100]
其中，ti为第i个控制点处的气流温度，ρi为第i个控制点处的气流密度。
[0101]
s304、根据所述第i个控制点处的气流雷诺数和第i个控制点与天线罩顶点的轴向距离，计算第i个控制点的流道间隙边界层厚度。具体地，所述第i个控制点的流道间隙边界层厚度δ
i”，表达为：
[0102][0103]
其中，xi为第i个控制点与天线罩顶点的轴向距离，单位为米(m)，rexi为第i个控制点处的气流雷诺数。
[0104]
s40、根据所述各控制点的轴向位置、所述无粘流道间隙尺寸和所述流道间隙边界层厚度，计算各控制点坐标，将得到的所述控制点拟合成连续光滑曲线，生成喷管型线。
[0105]
具体地，本发明中利用一维变截面可压缩流动方程确定无粘流道尺寸，利用管流边界层厚度公式对流道进行粘性修正。
[0106]
具体地，所述根据所述各控制点的轴向位置、所述无粘流道间隙尺寸和所述流道间隙边界层厚度，计算各控制点坐标，包括：根据所述无粘流道间隙尺寸，以及所述流道间隙边界层厚度计算各控制点的流道间隙尺寸；更具体地，如图4所示，流道间隙尺寸中包括喷管表面的流道间隙边界层厚度和天线罩表面的流道间隙边界层厚度，所述各控制点的流道间隙尺寸，表达为：
[0107]
δi＝δi'+2δi”ꢀꢀ
(10)
[0108]
其中，δi为第i个控制点的流道间隙尺寸，δi'为第i个控制点的无粘流道间隙尺寸，δ
i”为第i个控制点的流道间隙边界层厚度。
[0109]
根据所述各控制点的轴向位置、所述流道间隙尺寸和所述控制点对应的天线罩外表面半径，计算各控制点坐标，所述各控制点坐标，表达为：
[0110]
(xi,yi)＝(xi,ri+δi)
[0111]
其中，xi为第i个控制点与天线罩顶点的轴向距离，yi为第i个控制点与天线罩旋转轴间的纵向距离，ri为第i个控制点对应的天线罩外表面半径，δi为第i个控制点的流道间隙尺寸，δi'为第i个控制点的无粘流道间隙尺寸，δ
i”为第i个控制点的流道间隙边界层厚度。
[0112]
具体地，通过下文说明一种轴对称天线罩包罩试验喷管型线设计方法的工作流程：
[0113]
(1)针对某天线罩，将流场喉道布置于天线罩根部的金属框上，距离天线罩顶点轴向距离为600mm，喉道间隙尺寸初始值为10mm。喉道面积为9424.8mm2，或9.4248
×
10-3m2。
[0114]
(2)根据上述公式(1)，调整来流总压以及天线罩母线控制点(母线上8～10个轴向位置)处的流动马赫数，使天线罩母线控制点处的压力满足试验考核要求。针对本实例中的天线罩，来流总压初始值设定为260kpa，如表1所示，在天线罩母线上x＝0.1m～0.6m范围内布置了8个控制点，天线罩考核区域(天线罩非金属部分)内控制点对应的最大压力为239kpa，最小压力为143kpa，来流总压为260kpa时，满足控制点1～6处的流动马赫数均小于1，喉道位置达到声速，即马赫数等于1，保证包罩喷管内考核区域内气流为亚声速，控制点8处为超声速，因此，本实施例的计算过程中来流总压为260kpa。
[0115]
表1
[0116][0117]
(3)根据天线罩测试要求来流总温取785k，总压取260kpa，cd取0.96，根据上述公式(2)计算空气质量流量为3.69kg/s，小于电弧加热器所能提供的最大空气流量，因此喉道面积满足电弧加热器流量要求，喉道间隙尺寸取初始值10mm。
[0118]
(4)根据喉道面积和表1中各控制点处的流动马赫数，使用上述公式(4)计算控制点处的无粘流道面积，再使用上述公式(5)计算无粘流道间隙尺寸，本实例中各控制点对应的无粘流道面积和无粘流道间隙尺寸如表2所示：
[0119]
表2
[0120][0121]
(5)根据上述公式(6)～(9)计算边界层厚度，得到各控制点的边界层厚度参数。如表3所示，本实例中喉道处单边边界层厚度最厚为1.133mm，约为无粘流道间隙尺寸的11.3％。
[0122]
表3
[0123][0124]
(6)如表4所示根据上述表2和表3中各控制点对应的所述无粘流道间隙尺寸和所
述流道间隙边界层厚度，通过上述公式(10)计算控制点流道间隙尺寸设计值。本实例中，流道间隙尺寸最小为喉道处，为12.27mm。
[0125]
表4
[0126]
控制点编号xi(m)δi(mm)10.141.8320.1530.4130.223.8840.318.5150.415.4960.513.7570.612.2780.65517.07
[0127]
(7)将表4中各控制点流道间隙尺寸加上对应位置的天线罩外表面半径，得到喷管型线上8个控制点坐标，具体如表5所示。
[0128]
表5
[0129]
控制点编号xi(mm)yi(mm)110086.03215088.01320093.684300110.315400127.396500144.057600157.288655162.07
[0130]
(8)将表5中型线各控制点拟合成连续、光滑的曲线，形成最终喷管型线。如图5所示，图5为根据本发明设计的某天线罩包罩喷管型线及压力仿真云图；图6为根据本发明设计的喷管实现的压力与考核要求对比，喷管可准确模拟天线罩表面压力分布。
[0131]
与现有技术相比，本发明中一种轴对称天线罩包罩试验喷管型线设计方法，利用一维变截面可压缩流动和边界层理论，设计包罩喷管型线，在电弧加热器产生的气流条件下可准确模拟天线罩表面压力分布，对天线罩结构承载能力验证更为真实；通过天线罩外包覆一个随型包罩喷管，让电弧加热器产生的热气流在喷管和天线罩之间的缝隙内流动，可以在较小的加热功率和空气流量条件下，实现较高的压力和温度参数，能够显著节省气流流量和加热功率，能量利用率提升几十倍以上。
[0132]
本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读存储介质中。其中，所述计算机可读存储介质为磁盘、光盘、只读存储记忆体或随机存储记忆体等。
[0133]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。