[发明专利]一种单对超声速流向旋涡发生装置的设计方法

权利要求书

1.一种单对超声速流向旋涡发生装置的设计方法，其特征在于：该单对超声速流向旋涡发生装置包括依次连接的拉瓦尔喷管(1)、过渡段(2)、旋涡发生段(3)、试验窗口；其中，旋涡发生段(3)的设计包括以下步骤：

(1).根据拉瓦尔喷管出口马赫数与试验窗口马赫数需求，通过普朗特-梅耶关系式计算得到旋涡发生段(3)总偏转角θ；

(2).将旋涡发生段(3)的总偏转角θ平均分为n份分偏转角Δθ，每份分偏转角Δθ对应一圆弧微元段；

(3).设定旋涡发生段上壁面(5)曲率半径为R；

(4).以旋涡发生段内第一道右行膨胀波L₁起点A₁为原点建立直角坐标系，该直角坐标系的两个坐标轴为x轴和y轴，以旋涡发生段(3)出口气流方向(7)为x轴正向；

(5).根据拉瓦尔喷管出口马赫数，计算得到第一道右行膨胀波L₁的直线方程，右行膨胀波L₁与过渡段(2)下壁面交点即旋涡发生段下壁面弯曲起始点B₁；

(6).根据拉瓦尔喷管出口马赫数、总静温关系式及能量方程求解出第i道右行膨胀波L_i后的流场参数，i＝1～n，

其中总静温关系式为

能量方程为其中，T^*、T分别为第i道右行膨胀波波后的总温、静温，V_xi、V_yi分别为第i道右行膨胀波波后流场内速度矢量V在x和y方向的速度分量；R_g为常数；M_i为第i道右行膨胀波波后马赫数；γ为比热比；

(7).根据圆弧半径R与分偏转角Δθ的几何关系，求解第i+1道右行膨胀波L_i+1起点A_i+1(x_i+1,y_i+1)坐标；i＝1,2,…n-1；

x_i+1＝x_O-Rsin(θ-i△θ)；

y_i+1＝y_O-Rcos(θ-i△θ)；

其中x_O、y_O为圆心O的坐标；

(8).根据第(6)步已求得的L_i后的流场参数，求解第i+1道右行膨胀波L_i+1的直线方程；

(9).根据第(6)步已求得的L_i后的流场参数，求解流线m_i+1的直线方程；

(10).联立L_i+1、m_i+1直线方程，得第i+1道右行膨胀波L_i+1与过渡段(2)下壁面交点B_i+1；i＝1,2,…n-1；

(11).重复第(6)-(10)步，每次重复时i值增加1，分别求解A₃，A₄…A_n及B₃，B₄…B_n的坐标；其中B_n即分别为第n道右行膨胀波与过渡段(2)下壁面的交点；

(12).基于求解的流场参数，计算当地边界层位移厚度，放大A₁～A_n和B₁～B_n所形成流道的面积。

2.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于：拉瓦尔喷管的几何构型为二元喷管，根据实验室气源能力确定拉瓦尔喷管的喉道面积，根据试验需要确定设计状态出口马赫数。

3.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于：拉瓦尔喷管从喉道截面到出口截面的型线采用特征线法设计。

4.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于：过渡段的宽度和拉瓦尔喷管保持一致，过渡段上下壁面存在微扩张，扩张角为0～1°。

5.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于：试验窗口(4)上下壁面相比于旋涡发生段出口上下壁面向外偏折，形成微扩张管道，单边扩张角△β为0.5°～1.0°。

6.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于：通过仿真方法或者试验方法建立起试验窗口旋涡强度和旋涡发生段上壁面(5)曲率半径R的映射关系，根据映射关系选配合适的旋涡发生上壁面(5)曲率半径R。