变截面激波管的型线确定方法

本技术涉及流体力学，特别是涉及一种变截面激波管的型线确定方法。

背景技术：

1、强激波技术是流体力学领域中的一种重要组成部分，其在流体力学领域中的研究涉及了多个重要方面，包括惯性约束核聚变、超燃冲压发电机和超新星爆发等。以下是一些强激波在流体力学领域中的研究方向：

2、惯性约束核聚变（icf）是一种核聚变方法，它采用强大的激光或粒子束，将小的氢同位素核（如氘和氚）压缩到高温、高密度的条件下，以促使核融合反应发生。这个过程产生巨大的能量，并有潜力作为清洁的、可持续的能源来源。在点火过程中由于界面不平整性及热传导非均匀性等问题，会产生由强激波诱发的界面不稳定性，如rm及rt不稳定性，从而降低能量增益甚至导致点火失败。为了克服流体力学不稳定性，研究者需要设计和优化压缩和聚焦系统，以确保高度均匀和稳定的压缩，以及在热点中实现所需的温度和密度条件。本技术的技术方案可以开展强激波诱导的rm不稳定性实验研究。

3、超燃冲压发动机（scramjet）是一种用于高速飞行器的引擎，其工作原理涉及气流压缩和燃烧。其中激波反射与燃料掺混是关键的工作原理，用于有效实现燃料的混合和点火。当空气进入scramjet发动机时，其速度超过声速，因此产生了激波。这些激波用于有效地减缓和压缩进入发动机的空气。激波在scramjet中反射，将气流引导到燃烧室中。这一过程有助于提高气流的压缩比和温度。在燃烧室中，燃料（通常是氢气或其他氢气同位素）通过喷嘴被引入。同时，通过激波反射和压缩，气流被有效地混合到燃料中。混合的气体和燃料在高温和高压条件下被点火，触发燃烧反应。这一过程通常非常快速，在毫秒内完成。燃烧产生的高温高速气体流通过喷嘴喷射，产生推力，推动飞行器前进。这个过程中的关键是激波的反射和有效混合，这有助于提高燃料的燃烧效率和推进力。本技术的技术方案可以开展强激波诱导物质混合实验研究。

4、超新星是宇宙中爆发最明亮和瞬时的天体事件之一。它们发生在恒星的末期，当恒星内核无法支持自身的引力而崩溃时，会爆炸并释放巨大的能量。当恒星内核坍缩时，其外层物质被推出，并形成一个初始的球形发散激波。这被称为反冲激波，它向外传播并将外层物质推向太空。爆炸过程中产生的能量在星际空间中向外传播，推动物质和气体形成一个扩散的激波前进。这个激波前进的速度可以相当高，通常是恒星表面的几千公里每秒。激波波前压缩和加热周围的星际介质，导致气体温度升高并在物质前方形成明亮的激波壳。这个激波壳中的气体非常炽热，发射出x射线和射电波等辐射。

5、本技术的技术背景焦点包括rm不稳定性及其引发的湍流混合现象，这些研究成果将为激波动力学、激波边界层干扰等多个与激波相关的领域提供有用的信息。为了解决这些领域的问题，着重提高入射激波的强度和质量至关重要。传统方法通过提高驱动段压力来实现激波强度的提高，但已经接近了物理极限。

6、在激波汇聚过程中，受到激波汇聚结构壁面结构的影响，可能存在激波-壁面干扰的现象，如果激波汇聚结构的壁面型线设计不够合理，则会导致汇聚激波的波后流场均匀性较差。比如，文献“an investigation of shock strengthening in a conicalconvergent channel” (r.e setchell., et al)研究发现激波在圆锥形汇聚过程中会产生大量的激波反射，从而导致激波强度降低，波后流场复杂。

7、针对相关技术中存在的无法有效缓解激波-壁面干扰的问题，目前还没有提出有效的解决方案

技术实现思路

1、在本实施例中提供了一种变截面激波管的型线确定方法，以解决相关技术中存在的无法有效缓解激波-壁面干扰的问题。

2、第一个方面，在本发明中提供了一种变截面激波管的型线确定方法，所述激波汇聚结构包括第一汇聚管道，所述第一汇聚管道用于对激波在第一方向上的尺寸进行收缩，所述第一汇聚管道包括在所述第一方向上对称分布的两个第一汇聚侧壁，每个所述第一汇聚侧壁包括输入收缩部、汇聚部和输出收缩部；

3、所述型线确定方法包括：

4、根据第一激波动力学理论确定所述第一汇聚侧壁的输入收缩部的壁面收缩型线；其中，所述第一激波动力学理论为基于量热完全气体及运动激波关系得到的激波动力学理论；

5、根据第二激波动力学理论确定所述第一汇聚侧壁的输出收缩部的壁面收缩型线；其中，所述第二激波动力学理论为基于高温气体效应及运动激波关系得到的激波动力学理论。

6、在其中的一些实施例中，所述第一激波动力学理论包括第一ccw关系，所述第一ccw关系的表达式如下：

7、；

8、其中， m为激波马赫数， a为波面面积；

9、；

10、；

11、其中， γ为比热比；

12、所述第一激波动力学理论还包括第一特征线关系；

13、对于第一族特征线，所述第一特征线关系的表达式如下：

14、；

15、对于第二族特征线，所述第一特征线关系的表达式如下：

16、；

17、式中：

18、；

19、；

20、根据所述第一ccw关系可得：

21、；

22、；

23、其中， x和 y分别表示特征线上的点的横纵坐标， θ为激波传播方向与汇聚管道轴向的夹角， m为激波马赫数， a为波面面积， c为扰动沿激波波面传播的速度， j +为沿第一族特征线的黎曼不变量， j -为沿第二族特征线的黎曼不变量。

24、在其中的一些实施例中，所述第二激波动力学理论包括第二ccw关系，所述第二ccw关系的表达式如下：

25、；

26、其中：

27、；

28、；

29、其中， γ 1为所述波前气体比热比， γ 2为所述波后气体比热比，为跨激波的平均比热比；

30、所述第二激波动力学理论还包括第二特征线关系；

31、对于第一族特征线，所述第二特征线关系的表达式如下：

32、；

33、对于第二族特征线，所述第二特征线关系的表达式如下：

34、；

35、式中：

36、；

37、；

38、根据所述第二ccw关系可得：

39、；

40、；

41、其中， x和 y分别表示特征线上的点的横纵坐标， θ为激波传播方向与汇聚管道轴向的夹角， m为激波马赫数， a为波面面积， c为扰动沿激波波面传播的速度， j +为沿第一族特征线的黎曼不变量， j -为沿第二族特征线的黎曼不变量， v为激波速度参数。

42、在其中的一些实施例中，所述跨激波的平均比热比满足如下关系：

43、；

44、其中， r 1为波前气体常数， r 2为波后气体常数， t 1为波前气体温度， t 2为波后气体温度， h 1为波前气体的单位质量焓， h 2为波后气体的单位质量焓。

45、在其中的一些实施例中，所述激波汇聚结构还包括与所述第一汇聚管道同轴连接的第二汇聚管道，所述第二汇聚管道的输入口尺寸与所述第一汇聚管道的输出口尺寸相同，所述第二汇聚管道用于对激波在第二方向上的尺寸进行收缩，所述第二汇聚管道包括在所述第二方向上对称分布的两个第二汇聚侧壁，每个所述第二汇聚侧壁包括输入收缩部、汇聚部和输出收缩部；

46、所述型线确定方法还包括：

47、根据所述第二激波动力学理论确定所述第二汇聚侧壁的输入收缩部和输出收缩部的壁面收缩型线。

48、在其中的一些实施例中，所述第一方向和所述第二方向垂直。

49、在其中的一些实施例中，所述变截面激波管还包括与所述第一汇聚管道的输出端同轴连接的发散管道，所述发散管道用于对激波在第二方向上的尺寸进行扩展，所述发散管道包括在所述第二方向上对称分布的两个发散侧壁，每个所述发散侧壁包括输入扩展部、发散部和输出扩展部；

50、所述型线确定方法还包括：

51、根据所述第二激波动力学理论确定所述发散侧壁的输入扩展部和输出扩展部的壁面扩展型线。

52、在其中的一些实施例中，在第一平面上，两个所述第一汇聚侧壁的汇聚部的夹角为第一目标角度，所述第一目标角度的范围为4°-8°，所述第一平面覆盖所述第一汇聚管道的轴线且平行于所述第一方向；

53、和/或，在第二平面上，两个所述第二汇聚侧壁的汇聚部的夹角为第二目标角度，所述第二目标角度的范围为4°-8°，所述第二平面覆盖所述第二汇聚管道的轴线且平行于所述第二方向。

54、在其中的一些实施例中，所述第一方向为高度方向，所述第一汇聚管道的输出口高度为8mm。

55、第二个方面，在本发明中提供了一种变截面激波管的型线确定方法，所述激波汇聚结构包括第一汇聚管道，所述第一汇聚管道用于对激波在第一方向上的尺寸进行收缩，所述第一汇聚管道包括在所述第一方向上对称分布的两个第一汇聚侧壁，每个所述第一汇聚侧壁包括收缩部和汇聚部，所述收缩部包括输入收缩部或输出收缩部；

56、所述型线确定方法包括：

57、在所述收缩部中确定单波区和双波区；

58、根据所述单波区中前一特征线的激波方向角与后一特征线的激波方向角确定当前型线段的倾角，所述当前型线段的起点为前一型线段的终点；

59、根据所述当前型线段的倾角确定所述当前型线段的终点，所述当前型线段的终点为后一型线段的起点；

60、对各个型线段的倾角进行修正，直至末端型线段的终点与所述收缩部的壁面收缩型线的终点重合；

61、根据修正后的各个型线段，确定所述收缩部的壁面收缩型线。

62、与相关技术相比，在本发明中提供了一种变截面激波管的型线确定方法，本方法中，根据基于量热完全气体的第一激波动力学理论确定第一汇聚侧壁的输入收缩部的壁面收缩型线，根据基于高温气体效应的第二激波动力学理论确定第一汇聚侧壁的输出收缩部的壁面收缩型线。根据激波汇聚结构中各部分的激波强度差异，采用不同的激波动力学理论来确定最终的激波汇聚结构的型线，提高了激波汇聚结构型线设计的合理性，减小由于波后气体温度较高而导致的型线设计偏差，减少激波反射的产生，使得波后流场更加干净，解决了现有相关技术中存在的无法有效缓解激波-壁面干扰的问题，更加适用于强激波的应用场景。

63、本技术的一个或多个实施例的细节在以下附图和描述中提出，以使本技术的其他特征、目的和优点更加简明易懂。