一种超高温风洞喷管冷却结构设计方法与流程

本发明属于空气动力学风洞设计，具体涉及一种超高温风洞喷管冷却结构设计方法。

背景技术：

1、飞得更高、更快一直是人类发展的主旋律，高超声速飞行不可避免的带来气动热问题。作为唯一可以模拟飞行器飞行状态的试验设备，高超声速超高温风洞的需求迫在眉睫。然而超高温风洞的使用温度一般在2000k附近，高超声速设备运行时，经过加热的高温高压气体在流过洞体后，热气流不可避免会向洞体传热，风洞喷管喉道位置会经受严重热考核，如果不采取有效措施，在高温高压气流作用下，结构将产生破坏进而带来严重安全隐患。目前常用材料的使用温度极限低于风洞运行温度，难以同时兼顾支撑-热防护性能。

2、因此，本申请提出一种超高温风洞喷管冷却结构的设计方法用以解决上述问题。

技术实现思路

1、本发明研发目的是为了解决高超声速设备运行过程中，目前常用材料的使用温度极限低于风洞运行温度，难以同时兼顾支撑-热防护性能的问题。在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。

2、本发明的技术方案：

3、一种超高温风洞喷管冷却结构设计方法，包括以下步骤：

4、步骤1：设计喷管内壳厚度，根据风洞设计相似准则确定内壁面压力，根据压力容器国标计算喷管内壳厚度；

5、步骤2：根据步骤1确定喷管冷却结构位置及尺寸范围，并建立不同冷却结构假设三维模型；

6、步骤3：喷管冷却结构cfd仿真计算；

7、步骤31：将步骤2不同冷却结构假设模型构建成不同计算域模型；

8、步骤32：采用pointwise18.6将计算域模型进行网格刨分，划分为多块网格；

9、步骤33：气体流域依据喷管实际马赫数设定进行边界条件设置，冷却水流域水流量设置为变量，并进行流动数值求解，得到喷管内的温度分布；

10、步骤34：通过流体边界层与固壁面交界处的热传导计算，获取内壁面平均冷却效率，并评估内壁面实际温度，完成仿真，且生成用于机器学习的训练集和测试集；

11、步骤4：喷管冷却结构的多目标优化；

12、步骤41：设计喷管冷却结构的变量、约束条件与目标参数；

13、步骤42：多目标优化计算模型精度分析，测试多目标遗传算法的计算精度，选择算法模型；

14、步骤43：多目标优化，得到最优解；

15、步骤5：选择材料以及加工工艺。

16、进一步的，所述步骤2具体为：在冷却通道体积占比及数量相同情况下，分别假设冷却通道具有不同形状；在冷却通道形状及数量相同情况下，假设冷却通道具有不同冷却体积占比；在冷却通道形状及体积占比相同情况下，假设冷却通道具有不同数量。

17、进一步的，所述步骤41具体为：将步骤2生成的测试集的冷却通道的尺寸、形状、数量及冷却水量作为设计变量，根据实际工况设定约束条件，目标参数包括喷管内壁面最高温度和喷管冷却效率；

18、以通道水流量 q、冷却通道在喉道横截面处面积占比 a、冷却通道直径 l和冷却通道数量 n为设计变量，用 x=( x1,  x2,  x3,  x4)=( q,  a,  l,  n)表示；以喷管内壁面最高温度 tmax最低、喷管冷却效率 η最大为优化目标，建立了两个目标函数 η= f1( x)、 tmax= f2( x)：

19、（1）；

20、根据喷管冷却结构的尺寸限制，对设计变量设置步骤3的约束条件。

21、进一步的，所述步骤42具体为：采用不同多目标遗传算法moga、nsga-ii、多目标并行pareto搜索梯度法-mge、mgp对测试集进行多目标优化，对比分析不同优化模型的精度，选取算法模型。

22、进一步的，所述步骤43具体步骤为：计算关于两个响应参数最优下的优化结果，并将优化结果及其通过仿真验算的结果进行对比，选择两个响应参数的最优解集，并获得对应的最优变量。

23、进一步的，所述步骤5具体为：根据最优解集选择对应的使用温度材料，提供设计误差，根据材料及最优冷却结构，选择加工工艺，包括机械精加工、增材制造和激光表面抛光。

24、本发明具有以下有益效果：

25、本发明的一种超高温风洞喷管冷却结构设计方法，首先设计喷管内壳厚度以及冷却通道尺寸，之后通过计算流体力学软件进行仿真计算，最后对冷却结构进行多目标优化，寻找最佳冷却结构及水流量，最终设计合适材料及加工工艺，解决超高温风洞在运行温度超过现有材料使用温度极限的情况下，通过合理的冷却结构设计，使其能在现有材料体系下正常运行的目的。

技术特征：

1.一种超高温风洞喷管冷却结构设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种超高温风洞喷管冷却结构设计方法，其特征在于，所述步骤2具体为：在冷却通道体积占比及数量相同情况下，分别假设冷却通道具有不同形状；

3.根据权利要求2所述的一种超高温风洞喷管冷却结构设计方法，其特征在于，所述步骤41具体为：将步骤2生成的测试集的冷却通道的尺寸、形状、数量及冷却水量作为设计变量，根据实际工况设定约束条件，目标参数包括喷管内壁面最高温度和喷管冷却效率；

4.根据权利要求3所述的一种超高温风洞喷管冷却结构设计方法，其特征在于，所述步骤42具体为：采用不同多目标遗传算法moga、nsga-ii、多目标并行pareto搜索梯度法-mge、mgp对测试集进行多目标优化，对比分析不同优化模型的精度，选取算法模型。

5.根据权利要求4所述的一种超高温风洞喷管冷却结构设计方法，其特征在于，所述步骤43具体为：计算关于两个响应参数最优下的优化结果，并将优化结果及其通过仿真验算的结果进行对比，选择两个响应参数的最优解集，并获得对应的最优变量。

6.根据权利要求5所述的一种超高温风洞喷管冷却结构设计方法，其特征在于，所述步骤5具体为：根据最优解集选择对应的使用温度材料，提供设计误差，根据材料及最优冷却结构，选择加工工艺，包括机械精加工、增材制造和激光表面抛光。

技术总结
一种超高温风洞喷管冷却结构设计方法，属于空气动力学风洞设计技术领域。本发明解决了高超声速设备运行过程中，目前常用材料的使用温度极限低于风洞运行温度，难以同时兼顾支撑‑热防护性能的问题。本发明通过设计喷管内壳厚度，根据喷管设计马赫数确定内壁面压力，根据压力容器国标计算喷管内壳厚度；确定喷管冷却结构位置及尺寸范围；喷管冷却结构CFD仿真计算；喷管冷却结构的多目标优化以及选择材料以及加工工艺。解决了超高温风洞在运行温度超过现有材料使用温度极限的情况下，通过合理的冷却结构设计，使其能在现有材料体系下正常运行的目的。

技术研发人员：齐欣欣,王宇楠,袁野,王碧玲,钱战森
受保护的技术使用者：中国航空工业集团公司沈阳空气动力研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/2/6