[发明专利]一种单对超声速流向旋涡发生装置的设计方法

说明书

本发明公开了单对超声速流向旋涡发生装置的设计方法。其中指定上壁面圆弧半径，将旋涡发生段划分成多个等偏转角的微元段，通过求解超声速圆弧外流场，从过渡段下壁面终点开始，向下游逐步求解流线方程，获得初始下壁面型线，然后将当地边界层位移厚度叠加至初始下壁面型线，得到最终的下壁面型面；之后，确定等效扩张角，设计试验窗口上下壁面型线。本设计方法利用超声速圆弧外流场流线构造旋涡发生段，避免旋涡发生段内产生不必要的背景波系，仅需改变旋涡发生段曲率半径即可实现对超声速流向旋涡强度、尺度的控制。为开展超燃冲压发动机内超声速流向旋涡的特性及其与下游激波串的干扰机理试验研究提供了一种切实可行的试验装置设计方法。

技术领域

本发明涉及超燃冲压发动机气动实验领域，尤其是一种产生超声速旋涡的设计方法。

背景技术

超声速流向旋涡是一种普遍的流动现象，特别是在高马赫数进气道内，流向涡是其内部的主要流动特征。超声速流向涡的产生主要和激波/边界层相干诱导形成的分离流动相关，由于实际工程设计的需要，进气道内激波/边界层干扰普遍较强，因此这种超声速流向涡作为附属品很难避免。流向涡的存在，犹如一把双刃剑，对于燃烧而言，可以借助流向涡加强气流和燃油的掺混，提高燃烧效率；然而，对于进气道而言，流向涡的存在可能更多的是“弊大于利”，这主要是因为流向涡内聚集的都是低总压空气，这部分空气对逆压梯度最为敏感，是整个进气道横截面抗反压能力的短板，一旦下游燃烧形成的高背压施加在这些旋涡之后，很可能促使激波串溢出进气道管道内，诱发进气道不起动现象，危害飞行安全。因此，研究管道内的超声速流向涡至关重要。

出于研究的必要，如何在试验中模拟出超声速流向涡是开展相关研究的基本条件。然而，现有的理论、试验方法都是基于涡流发生器的，这种方法可以确实可以有效生成流向涡，但是在生成流向涡的同时又引入了涡流发生器斜坡产生的斜激波及尾部的膨胀扇，这些斜激波和膨胀扇的存在，会在管道中形成反射，当其入射到超声速流向涡时，对流向涡本身的发展、演化、破裂等特性造成不可逆的影响，因此如果需要单纯研究管道内超声速流向涡的流动特性以及超声速流向涡和下游激波串流动的耦合干扰问题，采用涡流发生器方案是不合适的。

为此，如何通过气动设计方法设计出管道内的超声速流向涡，且避免其他斜激波、膨胀波等背景波系的干扰是当前急需解决的关键问题。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种无背景波系的单对超声速流向旋涡发生装置的设计方法，能够产生无背景波系的充分发展的单对超声速流向旋涡，具备良好的通用性。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种单对超声速流向旋涡发生装置的设计方法，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、过渡段、旋涡发生段、试验窗口；其中，旋涡发生段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总偏转角θ；

(2).将旋涡发生段的总偏转角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，以旋涡发生段出口气流方向为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一道右行膨胀波L₁后的流场参数；