一種高超聲速風(fēng)洞的噴管的構(gòu)造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于高超聲速風(fēng)洞的技術(shù)領(lǐng)域，具體地設(shè)及一種高超聲速風(fēng)洞的噴管的構(gòu) 造方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 風(fēng)洞是氣體動力學(xué)研究重要的地面設(shè)備，其作用是模擬運(yùn)動中的氣流環(huán)境，其氣 動設(shè)計目標(biāo)是風(fēng)洞噴管實驗段馬赫數(shù)達(dá)到設(shè)計馬赫數(shù)，實驗段截面馬赫數(shù)分布均勻，噴管 出口的氣流方向與風(fēng)洞軸線平行；其方案設(shè)計還要兼顧噴管的適用性和經(jīng)濟(jì)性。
[0003] 在目前的高超聲速技術(shù)研究中，風(fēng)洞尤其是必不可少的設(shè)備。在高超聲速超燃沖 壓發(fā)動機(jī)技術(shù)研究中，由于氣流在經(jīng)過噴管加速到高超音速的過程中會急劇膨脹，溫度會 隨之急劇下降，從而引起氣體的自身液化。為避免氣體液化或達(dá)到實驗?zāi)M需要的溫度，必 須在高超音速風(fēng)洞中噴管上游裝設(shè)加熱裝置。高洽（溫度可大于2000K)風(fēng)洞是不可替代 的地面實驗設(shè)備，其運(yùn)行費(fèi)用不菲。
[0004] 目前國內(nèi)高超音速風(fēng)洞噴管結(jié)構(gòu)形式均為軸對稱噴管和二維噴管（也稱二元噴 管，其結(jié)構(gòu)一般為四塊板，包括兩兩相對的兩塊氣動型面板和兩塊側(cè)面平板，所述氣動型面 板和側(cè)面直板組成二維收縮-擴(kuò)張通道，其氣動型面為二維曲線），前者具有出口流場品質(zhì) 好的優(yōu)點(diǎn)，后者具有加工經(jīng)濟(jì)性好的優(yōu)點(diǎn)。如中國科學(xué)院力學(xué)研究所建設(shè)的國內(nèi)第一座高 超聲速推進(jìn)實驗裝置采用了二維噴管；另外中國空氣動力研究與發(fā)展中屯、，航天科工集團(tuán) =院，國防科技大學(xué)等建成和在建的高速和超高速風(fēng)洞都采用了軸對稱噴管或二維噴管。
[0005] 由于目前超燃沖壓發(fā)動機(jī)最為認(rèn)可的截面形狀是長方形，如果風(fēng)洞噴管采用軸對 稱噴管，則噴管出口可用于實驗的流場核屯、區(qū)有相當(dāng)一部分的浪費(fèi)，相應(yīng)的設(shè)備建設(shè)費(fèi)用 和日常運(yùn)行費(fèi)用都會增加很多；如果風(fēng)洞噴管采用出口截面形狀與發(fā)動機(jī)截面形狀一致的 二維（二元）噴管，噴管出口馬赫數(shù)與噴管面積比成正比，而噴管面積比為噴管氣動型面出 口高度尺寸與喉部高度尺寸之比。當(dāng)噴管出口尺寸一定的情況下，高馬赫數(shù)工況噴管喉部 (最小氣動截面）會是一個狹縫，同時高馬赫數(shù)要求的高溫氣流將使噴管喉部熱流很大，約 是軸對稱噴管的1. 5倍，造成冷卻困難，甚至是噴管的燒毀。如果采用二維特征線方法設(shè)計 出來的二維氣動曲線做氣動型面，拼成出口為設(shè)計要求的截面形狀，那么氣流在噴管內(nèi)仍 然是二維膨脹，會造成噴管出口截面流場參數(shù)的不均勻，不能用于實驗研究。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的技術(shù)解決問題是；克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種高超聲速風(fēng)洞的噴管 的構(gòu)造方法，其既可W實現(xiàn)噴管出口截面形狀與實驗件截面形狀一致（可為任意形狀），大 大降低建設(shè)成本和運(yùn)行成本，又同時避免二維形式噴管在高馬赫數(shù)工況下的喉部冷卻困難 問題。
[0007] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案是；該種高超聲速風(fēng)洞的噴管的構(gòu)造方法，包括W下步 驟：
[0008] (1)根據(jù)噴管設(shè)計要求確定其關(guān)鍵位置橫向截面的形狀和尺寸、W及設(shè)計噴管出 口馬赫數(shù)M，關(guān)鍵位置根據(jù)噴管設(shè)計要求為噴管入口至出口的任一橫截面；
[0009] (2)根據(jù)軸對稱特征線方法獲取構(gòu)造噴管的型面曲線，構(gòu)造噴管為軸對稱，構(gòu)造噴 管出口馬赫數(shù)等于M，對應(yīng)噴管關(guān)鍵位置的設(shè)計尺寸包覆噴管關(guān)鍵位置尺寸；
[0010] (3)根據(jù)流體力學(xué)方法計算步驟（2)的構(gòu)造噴管的流場，W此作為構(gòu)造噴管的基 準(zhǔn)流場；
[0011] (4)將步驟（1)中的關(guān)鍵位置形狀和尺寸在步驟做中的基準(zhǔn)流場相應(yīng)橫向截面 進(jìn)行投影，并抽取形狀上點(diǎn)對應(yīng)的流線；
[001引 妨在CAD建模軟件中新建一個作業(yè)，將步驟（4)中得到的流線的坐標(biāo)數(shù)組導(dǎo)入， 按照噴管設(shè)計要求進(jìn)行排布得到構(gòu)造噴管的氣動型面。
[0013] 本發(fā)明的構(gòu)造噴管由于喉部截面形狀可W不再是一條狹縫，所W喉部熱流密度 低，避免二維形式噴管在高馬赫數(shù)工況下的喉部冷卻困難問題；而通過本發(fā)明的構(gòu)造方法 可W實現(xiàn)噴管出口截面形狀與實驗件截面形狀一致，大大降低試驗設(shè)備建設(shè)成本和運(yùn)行成 本。
【附圖說明】
[0014] 圖1是本發(fā)明實施例的特征線方法設(shè)計的出口馬赫數(shù)4的軸對稱噴管氣動曲線。
[0015] 圖2是本發(fā)明實施例的出口馬赫數(shù)4的軸對稱噴管流場計算結(jié)果馬赫數(shù)云圖。
[0016] 圖3是本發(fā)明實施例的出口馬赫數(shù)4的軸對稱噴管流場流線提取位置。
[0017] 圖4是本發(fā)明實施例的軸對稱噴管流場流線排布得到的=維膨脹噴管氣動型面。
[0018] 圖5是根據(jù)本發(fā)明的高超聲速風(fēng)洞的噴管的構(gòu)造方法的流程圖。
[0019] 圖6是本發(fā)明一個優(yōu)選實施例的噴管出口的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0020] 如圖5所示，該種高超聲速風(fēng)洞的噴管的構(gòu)造方法，包括W下步驟：
[0021] (1)根據(jù)噴管設(shè)計要求確定其關(guān)鍵位置橫向截面的形狀和尺寸、W及設(shè)計噴管出 口馬赫數(shù)M，關(guān)鍵位置根據(jù)噴管設(shè)計要求為噴管入口至出口的任一橫截面；
[0022] (2)根據(jù)軸對稱特征線方法獲取構(gòu)造噴管的型面曲線，構(gòu)造噴管為軸對稱，構(gòu)造噴 管出口馬赫數(shù)等于M，對應(yīng)噴管關(guān)鍵位置的設(shè)計尺寸包覆噴管關(guān)鍵位置尺寸；
[0023] (3)根據(jù)流體力學(xué)方法計算步驟（2)的構(gòu)造噴管的流場，W此作為構(gòu)造噴管的基 準(zhǔn)流場；
[0024] (4)將步驟（1)中的關(guān)鍵位置形狀和尺寸在步驟（3)中的基準(zhǔn)流場相應(yīng)橫向截面 進(jìn)行投影，并抽取形狀上點(diǎn)對應(yīng)的流線；
[002引 妨在CAD建模軟件中新建一個作業(yè)，將步驟（4)中得到的流線的坐標(biāo)數(shù)組導(dǎo)入， 按照噴管設(shè)計要求進(jìn)行排布得到構(gòu)造噴管的氣動型面。
[0026] 本發(fā)明的構(gòu)造噴管由于喉部截面形狀可W不再是一條狹縫，所W喉部熱流密度 低，避免二維形式噴管在高馬赫數(shù)工況下的喉部冷卻困難問題；而通過本發(fā)明的構(gòu)造方法 可W實現(xiàn)噴管出口截面形狀與實驗件截面形狀一致，大大降低試驗設(shè)備建設(shè)成本和運(yùn)行成 本。
[0027] 本發(fā)明提供的風(fēng)洞噴管方案，具有氣流收縮段和擴(kuò)張段。亞聲速/超聲速氣流在 噴管入口進(jìn)入收縮段不斷加速/減速，至噴管最小截面處達(dá)到馬赫數(shù)1 ;超聲速/亞聲速氣 流在擴(kuò)張段繼續(xù)加速/減速，至出口達(dá)到預(yù)定馬赫數(shù)。收縮段保證氣流加速過程中不分離， 擴(kuò)張段保證風(fēng)洞要求的出口氣流條件。該噴管包括若干塊氣動型面板，所述氣動型面板組 成=維收縮-擴(kuò)張通道。氣動型面板均為氣動設(shè)計=維曲面，能夠保證氣流在經(jīng)過=維膨 脹后，在噴管出口截面氣流品質(zhì)良好。
[0028] 噴管在設(shè)計過程中的基本思想是，根據(jù)噴管設(shè)計要求確定噴管關(guān)鍵位置截面形狀 和尺寸后，首先根據(jù)特征線理論設(shè)計軸對稱噴管型面并計算其流場，然后在流場相應(yīng)截面 抽取流線按照噴管設(shè)計要求組成最終設(shè)計噴管的氣動型面。
[0029] 另外，所述步驟（1)中，噴管的喉部為矩形，尺寸為aXb，a為矩形的長，b為矩形 的寬。
[0030] 更進(jìn)一步地，a=b。例如，當(dāng)噴管設(shè)計要求是出口馬赫數(shù)為4、噴管喉部為 58mmX58mm正方形的=維膨脹噴管時，采用特征線方法獲取構(gòu)造噴管的喉部半徑41mm、出 口馬赫數(shù)4的軸對稱噴管型面，并進(jìn)行軸對稱噴管流場數(shù)值計算；在軸對稱噴管流場中，抽 取其喉部Y向坐標(biāo)29mm至41mm位置的流線；將所抽取流線在CAD