申请/专利权人：中国航天空气动力技术研究院

申请日：2017-12-27

公开（公告）日：2021-04-13

公开（公告）号：CN108280264B

主分类号：G06F30/17(20200101)

分类号：G06F30/17(20200101);G06F30/20(20200101);G06F113/14(20200101)

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2021.04.13#授权;2018.08.07#实质审查的生效;2018.07.13#公开

摘要：一种跨声速喷管设计方法，涉及风洞试验领域；包括如下步骤：步骤一、初设跨声速喷管外形；步骤二、构建喷管膨胀段初始外壁曲线；步骤三、对初始的膨胀段的外壁曲线中的圆锥曲线段进行优化；步骤四、对初始的膨胀段的外壁曲线中的三次曲线段进行优化；步骤五、得到优化后的膨胀段外壁曲线；步骤六、得到收缩段的外壁曲线和最终跨声速喷管外壁曲线；本发明减少了喷管膨胀段的长度，缩减空间，较少加工成本；且气流流过喷管到达喷管出口时，流场品质满足国军标先进指标。

主权项：1.一种跨声速喷管设计方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤一、初设跨声速喷管外形包括收缩段1和膨胀段2；收缩段1和膨胀段2沿轴向首尾连接；连接处为喉道；喉道对应喷管外壁的位置为T点；且收缩段1轴向远离膨胀段2的一端为喷管入口端；膨胀段2轴向远离收缩段1的一端为喷管出口端；所述膨胀段2的外壁包括三次曲线段2-1、圆锥曲线段2-2和Bézier曲线段2-3；三次曲线段2-1、圆锥曲线段2-2和Bézier曲线段2-3依次连接，形成膨胀段2的外壁曲线；步骤二、根据预先设定的喷管出口端直径和喷管喉道的位置，利用Bézier曲线ru和伯恩斯坦基函数Jn,i构建喷管膨胀段2初始外壁曲线；步骤三、对初始的膨胀段2的外壁曲线中的圆锥曲线段2-2进行优化；建立跨声速喷管坐标系oxy；求得步骤二中Bézier曲线ru一阶导数最大点，即为圆锥曲线段2-2和Bézier曲线段2-3的连接点D点；得到圆锥曲线段2-2和Bézier曲线段2-3的连接点D点的坐标xD，yD；以D点的坐标xD，yD为基点，根据Bézier曲线段2-3在D点的一阶导数即为圆锥曲线段2-2的斜率，根据斜率；生成优化后的圆锥曲线段2-2；步骤四、对初始的膨胀段2的外壁曲线中的三次曲线段2-1进行优化；对三次曲线段2-1进行优化的具体方法为：根据步骤三得到的圆锥曲线段2-2，选取圆锥曲线段2-2的端C点，得到C点的坐标xC，yC；得到T点的坐标xT，yT；以C点坐标xC，yC为起始点，以T点坐标xT，yT为终点；构建三次曲线段2-1的方程，生成优化后的三次曲线段2-1；步骤五、依次连接步骤四得到的优化后的三次曲线段2-1、步骤三得到的优化后的圆锥曲线段2-2和步骤二得到的Bézier曲线段2-3；得到优化后的膨胀段2外壁曲线；步骤六、根据步骤四得到的优化后的三次曲线段2-1，获得T点下游的斜率；令T点下游的斜率与T点上游斜率相同；根据预设的喷管入口直径；得到收缩段1的外壁曲线；连接收缩段1和优化后的膨胀段2外壁曲线，得到最终跨声速喷管外壁曲线。

全文数据：一种跨声速喷管设计方法技术领域[0001]本发明涉及一种风洞试验领域，特别是一种跨声速喷管设计方法。背景技术[0002]在跨声速范围内，流动是比较复杂的。流场中既有亚声速区域，又有超声速区域，而且流场经常不稳定，流动十分复杂。跨声速风洞必须解决试验段马赫数接近1时所出现的各种问题，技术比较复杂。在跨声速范围内，影响模型气动特性的主要相似准则是马赫数，所以跨声速喷管的出口流场品质非常重要。[0003]目前，扩声速喷管主要利用抽气机除去驻室压力，是在声速截面前排除一部分流量，使其在试验段产生所需要的跨声速气流。为了防止气流拥塞，气动模型需要设计较小；由于需要抽气机吸除驻室压力，对抽气机的功率要求很大，导致较高的试验成本。发明内容[0004]本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种跨声速喷管设计方法，减少了喷管膨胀段的长度，缩减空间，较少加工成本;且气流流过喷管到达喷管出口时，流场品质满足国军标先进指标。[0005]本发明的上述目的是通过如下技术方案予以实现的：[0006]—种跨声速喷管设计方法，包括如下步骤：[0007]步骤一）、初设跨声速喷管外形[0008]包括收缩段和膨胀段;收缩段和膨胀段沿轴向首尾连接;连接处为喉道;喉道对应喷管外壁的位置为T点;且收缩段轴向远离膨胀段的一端为喷管入口端;膨胀段轴向远离收缩段的一端为喷管出口端;所述膨胀段的外壁包括三次曲线段、圆锥曲线段和Bgzier曲线段;三次曲线段、圆锥曲线段和Bgzier曲线段依次连接，形成膨胀段的外壁曲线；[0009]步骤二）、根据预先设定的喷管出口端直径和喷管喉道的位置，利用Bgzier曲线rU和伯恩斯坦基函数Jn,i构建喷管膨胀段初始外壁曲线；[0010]步骤三、对初始的膨胀段的外壁曲线中的圆锥曲线段进行优化；[0011]建立跨声速喷管坐标系oxy;求得步骤二）中B6zier曲线rU—阶导数最大点，即为圆锥曲线段和Bgzier曲线段的连接点D点;得到圆锥曲线段和Bgzier曲线段的连接点D点的坐标XD，yD;以D点的坐标XD，yD为基点，根据Bgzier曲线段在D点的一阶导数即为圆锥曲线段的斜率，根据斜率;生成优化后的圆锥曲线段；[0012]步骤四）、对初始的膨胀段的外壁曲线中的三次曲线段进行优化；[0013]步骤五）、依次连接步骤泗）得到的优化后的三次曲线段、步骤三得到的优化后的圆锥曲线段和步骤二得到的Bgzier曲线段;得到优化后的膨胀段外壁曲线；[0014]步骤六）、根据步骤（四）得到的优化后的三次曲线段，获得T点下游的斜率;令T点下游的斜率与T点上游斜率相同；根据预设的喷管入口直径;得到收缩段的外壁曲线;连接收缩段和优化后的膨胀段外壁曲线，得到最终跨声速喷管外壁曲线。[0015]在上述的一种跨声速喷管设计方法，所述的步骤二）中，利用B6zier曲线ru和伯恩斯坦基函数构建喷管膨胀段初始外壁曲线的方法为：[0016]Bgzier曲线ru采用特征多边形顶点的位置矢量与伯恩斯坦基函数的线性组合表达：[0017][0018]式中，η为B6zier曲线的次数，6n8,且η为正整数；[0019]i为B6zier曲线征多项形顶点的序号，XiSn;[0020]u为Bgzier曲线参数，1;[0021]V1为特征多边形顶点的位置矢量；[0022]Jn,i为伯恩斯坦基函数；[0023][0024]式中为组合数；[0025]得到初始的膨胀段的外壁曲线。[0026]在上述的一种跨声速喷管设计方法，所述的步骤三）中，跨声速喷管坐标系oxy的建立方法为：以T点为坐标原点，X轴正方向为沿收缩段指向膨胀段方向；y轴正方向为竖直向上方向。[0027]在上述的一种跨声速喷管设计方法，所述的步骤（四）中，对三次曲线段进行优化的具体方法为：[0028]根据步骤三得到的圆锥曲线段，选取圆锥曲线段的端C点，得到C点的坐标xc，yc;得到T点的坐标XT，yT;以C点坐标xc，yc为起始点，以T点坐标XT，yT为终点；构建三次曲线段的方程，生成优化后的三次曲线段。[0029]在上述的一种跨声速喷管设计方法，所述的步骤（四）中，所述三次曲线段的方程为：[0032]式中，其中tan为C点下游处斜率，C点下游处斜率与圆锥曲线段的斜率相同。[0033]本发明与现有技术相比具有如下优点：[0034]1本发明采用步骤1中的Bgzier曲线，能够减少喷管膨胀段的长度，缩减空间，较少加工成本；[0035]2本发明采用步骤4的方法，实现了喷管收缩段和膨胀段连接处斜率连续，气流流过喷管收缩段和膨胀段时，气流无分离；[0036]3本发明步骤5生成的喷管膨胀段曲线，使得气流流过喷管到达喷管出口时，流场品质满足国车标先进指标。附图说明[0037]图1为本发明跨声速喷管型面示意图；[0038]图2为本发明跨声速喷管设计流程图。具体实施方式[0039]下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：[0040]如图1所示为跨声速喷管型面示意图，由图可知，一种跨声速喷管设计方法，包括如下步骤：[0041]步骤一）、初设跨声速喷管外形[0042]包括收缩段1和膨胀段2;收缩段1和膨胀段2沿轴向首尾连接;连接处为喉道;如图2所示为跨声速喷管设计流程图，由图可知，喉道对应喷管外壁的位置为T点；且收缩段1轴向远离膨胀段2的一端为喷管入口端;膨胀段2轴向远离收缩段1的一端为喷管出口端;所述膨胀段2的外壁包括三次曲线段2-1、圆锥曲线段2-2和B6zier曲线段2-3;三次曲线段2-1、圆锥曲线段2-2和Bgzier曲线段2-3依次连接，形成膨胀段2的外壁曲线；[0043]步骤二）、根据预先设定的喷管出口端直径和喷管喉道的位置，利用Bgzier曲线ru和伯恩斯坦基函数Jn,i构建喷管膨胀段2初始外壁曲线；只要给出给定特征多边形的顶点矢量，就能构造一条B^zier曲线。构造的B6zier曲线需要一阶、二阶导数连续，B6zier曲线按照一阶导数的单调性和二阶导数的正负分为两部分:第一部分一阶导数单调增加，二阶导数大于零;第二部分一阶导数单调递减，二阶导数小于零。一阶导数最大D点为Bgzier两部分曲线的分界点。[0044]利用Bgzier曲线rU和伯恩斯坦基函数Jn,i构建喷管膨胀段2初始外壁曲线的方法为：[0045]Bgzier曲线rU采用特征多边形顶点的位置矢量与伯恩斯坦基函数的线性组合表达：[0046][0047]式中，η为B6zier曲线的次数，6n8,且η为正整数；[0048]i为B6zier曲线征多项形顶点的序号，XiSn;[0049]u为Bgzier曲线参数，1;[0050]Vi为特征多边形顶点的位置矢量；[0051]Jn,i为伯恩斯坦基函数；[0052][0053]式中为组合数；[0054]得到初始的膨胀段2的外壁曲线。[0055]步骤三、对初始的膨胀段2的外壁曲线中的圆锥曲线段2-2进行优化；[0056]建立跨声速喷管坐标系oxy;跨声速喷管坐标系oxy的建立方法为：以T点为坐标原点，X轴正方向为沿收缩段1指向膨胀段2方向；y轴正方向为竖直向上方向。求得步骤二）中B6zier曲线ru—阶导数最大点，即为圆锥曲线段2-2和B6zier曲线段2-3的连接点D点;得到圆锥曲线段2-2和B6zier曲线段2-3的连接点D点的坐标xD，yD;以D点的坐标xD，yD为基点，根据Bgzier曲线段2-3在D点的一阶导数即为圆锥曲线段2-2的斜率，根据斜率;生成优化后的圆锥曲线段2-2;[0057]步骤四）、对初始的膨胀段2的外壁曲线中的三次曲线段2-1进行优化；[0058]对三次曲线段2-1进行优化的具体方法为：[0059]根据步骤三得到的圆锥曲线段2-2,选取圆锥曲线段2-2的端C点，得到C点的坐标xc，yc;得到T点的坐标χτ，γγ;以3点坐标X^yc为起始点，以丁点坐标χτ，γγ为终点；构建三次曲线段2-1的方程，生成优化后的三次曲线段2-1。[0060]三次曲线段2-1的方程为：[0063]式中，其中tan为C点下游处斜率，C点下游处斜率与圆锥曲线段2-2的斜率相同。[0064]步骤五）、依次连接步骤（四）得到的优化后的三次曲线段2-1、步骤三得到的优化后的圆锥曲线段2-2和步骤二得到的Bgzier曲线段2-3;得到优化后的膨胀段2外壁曲线；[0065]步骤六）、根据步骤（四）得到的优化后的三次曲线段2-1，获得T点下游的斜率;令T点下游的斜率与T点上游斜率相同；根据预设的喷管入口直径;得到收缩段1的外壁曲线；连接收缩段1和优化后的膨胀段2外壁曲线，得到最终跨声速喷管外壁曲线。[0066]通过数值计算，不断迭代，优化D点和C点的坐标取值，实时对喷管出口流场进行测量，当喷管出口流场品质达到国军标优秀指标时，迭代终止，完成跨声速喷管的型线的设计。[0067]本发明喷管膨胀段圆锥曲线区域2-2在有些跨声速马赫数条件下可以取消，此时喷管膨胀段由喷管膨胀段三次曲线2-1和喷管膨胀段Bgzier曲线2-3两部分组成，此种方式获得的喷管出口流场也满足国军标先进指标。[0068]本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

权利要求：1.一种跨声速喷管设计方法，其特征在于:包括如下步骤：步骤一）、初设跨声速喷管外形包括收缩段（1和膨胀段2;收缩段（1和膨胀段2沿轴向首尾连接;连接处为喉道；喉道对应喷管外壁的位置为T点;且收缩段1轴向远离膨胀段⑵的一端为喷管入口端;膨胀段2轴向远离收缩段（1的一端为喷管出口端;所述膨胀段2的外壁包括三次曲线段2-1、圆锥曲线段2-2和Bgzier曲线段2-3;三次曲线段2-1、圆锥曲线段2-2和Βέζier曲线段2-3依次连接，形成膨胀段2的外壁曲线；步骤二）、根据预先设定的喷管出口端直径和喷管喉道的位置，利用Bgzier曲线ru和伯恩斯坦基函数Jn,:构建喷管膨胀段2初始外壁曲线；步骤三）、对初始的膨胀段⑵的外壁曲线中的圆锥曲线段2-2进行优化；建立跨声速喷管坐标系oxy;求得步骤二）中Bgzier曲线ru—阶导数最大点，S卩为圆锥曲线段2-2和B6zier曲线段2-3的连接点D点；得到圆锥曲线段2-2和B6zier曲线段2-3的连接点D点的坐标xD，yD;以D点的坐标xD，yD为基点，根据B6zier曲线段2-3在D点的一阶导数即为圆锥曲线段2-2的斜率，根据斜率;生成优化后的圆锥曲线段2-2;步骤（四）、对初始的膨胀段⑵的外壁曲线中的三次曲线段2-1进行优化；步骤五）、依次连接步骤（四）得到的优化后的三次曲线段2-1、步骤三得到的优化后的圆锥曲线段2-2和步骤二得到的Bgzier曲线段2-3;得到优化后的膨胀段⑵外壁曲线；步骤六）、根据步骤（四）得到的优化后的三次曲线段2-1，获得T点下游的斜率;令T点下游的斜率与T点上游斜率相同;根据预设的喷管入口直径;得到收缩段⑴的外壁曲线；连接收缩段⑴和优化后的膨胀段⑵外壁曲线，得到最终跨声速喷管外壁曲线。2.根据权利要求1所述的一种跨声速喷管设计方法，其特征在于:所述的步骤二）中，利用Bgzier曲线ru和伯恩斯坦基函数Jn,i构建喷管膨胀段2初始外壁曲线的方法为：Bgzier曲线ru采用特征多边形顶点的位置矢量与伯恩斯坦基函数的线性组合表达：1式中，η为B6zier曲线的次数，6n8,且η为正整数；i为B6zier曲线征多项形顶点的序号，0iSn;u为Bgzier曲线参数，XuSl;V1为特征多边形顶点的位置矢量；Jm为伯恩斯坦基函数；2式中，G为组合数；得到初始的膨胀段⑵的外壁曲线。3.根据权利要求1所述的一种跨声速喷管设计方法，其特征在于:所述的步骤三）中，跨声速喷管坐标系〇xy的建立方法为：以T点为坐标原点，X轴正方向为沿收缩段（1指向膨胀段⑵方向；y轴正方向为竖直向上方向。4.根据权利要求1所述的一种跨声速喷管设计方法，其特征在于:所述的步骤（四）中，对三次曲线段2-1进行优化的具体方法为：根据步骤三得到的圆锥曲线段2-2，选取圆锥曲线段2-2的端C点，得到C点的坐标xc，yc;得到T点的坐标χτ，γγ;以3点坐标X^yc为起始点，以丁点坐标χτ，γγ为终点；构建三次曲线段2-1的方程，生成优化后的三次曲线段2-1。5.根据权利要求4所述的一种跨声速喷管设计方法，其特征在于:所述的步骤（四）中，所述三次曲线段2-1的方程为：式中，其中tan为C点下游处斜率，C点下游处斜率与圆锥曲线段2-2的斜率相同。

百度查询： 中国航天空气动力技术研究院 一种跨声速喷管设计方法

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