[发明专利]滑块式变马赫数喷管及其壁面确定方法

说明书

技术领域

本发明涉及超声速喷管设计技术领域，具体而言，涉及一种滑块式变马赫数喷管及其壁面确定方法。

背景技术

超声速喷管广泛的应用于高速飞机、火箭、超声速风洞、高能激光器、引射真空泵等设备中，喷管流场品质对设备的性能具有重要的影响。通过一定的设计技术获取适当的喷管壁面曲线可以大大改善喷管流场品质，提高设备性能，节省研究经费。超声速喷管一般由收缩段和扩张段组成，在一定压力驱动下，气体在收缩段逐渐加速，并在喉部附近达到声速，然后在扩张段继续加速，直至在出口形成所需要马赫数和流动方向角分布的超声速气流。

随着现代空气动力学的高速发展和广泛应用，连续变马赫数喷管具有越来越重要的应用前景。特别是在风洞领域，配有连续变马赫数喷管的风洞可以模拟飞行器加速、减速、巡航等状态，一次实验相当于传统单马赫数喷管几十次甚至上百次实验，而且更接近实际的飞行环境。

当前二维变马赫数喷管主要采用相对成熟的挠性喷管（柔壁喷管）技术。挠性喷管的壁面为具有一定刚度的薄板，薄板的形状由若干支点控制，通过改变支点的位置实现喷管型面的改变，进而获得不同的出口马赫数。但是，现有挠性喷管的作动机构十分复杂，每一个工作马赫数都需要大量的实验进行型面调整和流场校测，而且出口马赫数均匀度不高。

另外一种应用较少的技术是专著《风洞设计原理》（伍荣林、王振羽编著，北京航空学院出版社，1985年）给出的滑块式喷管。这种喷管通过调整位于收缩段中的滑块的前后移动，形成尺寸不同的喉部截面，并使滑块与外壁共同构成不同的喷管曲线。但是，现有滑块式喷管仅仅通过流量和马赫数的关系式约束喷管曲线，未考虑流动的二维与三维特征，流场品质无法保证，非设计点马赫数不均匀度高达20%-30%以上，对实验数据的可信度影响很大。

发明内容

本发明旨在提供一种滑块式变马赫数喷管及其壁面确定方法，以解决现有技术中滑块式变马赫数喷管的流场品质不好，非设计点马赫数不均匀度高的问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种滑块式变马赫数喷管壁面确定方法，包括：步骤10：根据喷管结构设计要求，确定部分壁面曲线作为固定壁面曲线，并确定滑块导轨壁面线、与该固定壁面曲线相配合的滑块壁面曲线、以及滑块进动距离与喷管出口马赫数的关系曲线；步骤20：根据滑块进动距离与喷管出口马赫数的关系曲线，利用特征线法确定滑块处于当前位置时所对应的待求壁面曲线；步骤30：沿远离喷管的出口的方向改变滑块在滑块导轨上的位置，使得当前设计马赫数的取值区间覆盖滑块进动距离与喷管出口马赫数关系曲线中的出口马赫数的所有值，确定各段待求壁面曲线；步骤40：根据滑块导轨壁面线、固定壁面曲线、与该固定壁面曲线相配合的滑块壁面曲线、以及各段待求壁面曲线确定滑块式变马赫数喷管壁面曲线。

进一步地，步骤10还包括：步骤11：根据喷管结构设计要求确定滑块导轨壁面线出口端的端点，将滑块在滑块导轨上移动一段初始距离，然后确定滑块壁面曲线上任一点在滑块导轨壁面线上的投影点的坐标作为进动距离为零时的初始点的坐标；步骤12：根据喷管工作马赫数范围确定喷管出口最低设计马赫数，采用特征线法确定最低设计马赫数时的一段喷管壁面曲线，并以该喷管壁面曲线作为固定壁面曲线。

进一步地，步骤12包括：步骤121：根据喷管结构设计要求确定喷管出口高度和喷管出口面积，并确定固定壁面曲线出口处的端点坐标；步骤122：根据滑块导轨壁面线、滑块壁面曲线和喷管出口边界采用特征线法求解喷管壁面曲线，该喷管壁面曲线上出口端的端点是固定壁面曲线出口处的端点；步骤123：在利用特征线法所确定的喷管壁面曲线上选取一点，该点的马赫数大于给定的满足喷管超声速设计要求的一个马赫数，该点为固定壁面曲线上远离出口端的端点，并以该固定壁面曲线的出口处的端点和固定壁面曲线上远离出口端的端点之间的喷管壁面曲线作为固定壁面曲线。

进一步地，步骤20包括：步骤21：根据最低设计马赫数确定喷管出口流场参数，根据喷管出口流场参数采用特征线法确定固定壁面曲线远离出口的一端的端点开始的逆推特征线；步骤22：根据最低设计马赫数采用特征线法确定跨声速特征线；步骤23：根据逆推特征线和跨声速特征线采用特征线法确定最低设计马赫数对应的喷管的待求壁面曲线。