專利名稱：超聲速分流流道及其壁面確定方法
技術領域：
本發明涉及空氣動力設計領域，具體而言，涉及一種超聲速分流流道及其壁面確定方法。
背景技術：
隨著現代空氣動力學研究的發展，超聲速流動的分流技術在實驗研究領域發揮了日益重要的作用。超聲速分流流道是一種典型的將超聲速流場分割成兩股或多股超聲速氣流的部件。被分流的超聲速氣流很容易產生激波，其影響主要包括兩個方面，一是通過激波之后會有總壓損失，降低氣流的做功能力，二是激波與邊界層的相互作用會引起流動分離，甚至堵塞整個流道。現有的分流流道主要是用于一般流體流動的三通或多通，由于未考慮超聲速氣體流動的特點，不可避免地會出現激波，導致總壓損失、氣流畸變。
發明內容
本發明旨在提供一種超聲速分流流道及其壁面確定方法，能夠將一股超聲速氣流分隔成兩股或多股氣流，并且不產生激波。為了實現上述目的，根據本發明的一個方面，提供了一種超聲速分流流道的壁面確定方法，包括根據超聲速分流流道設計結構的幾何約束確定超聲速分流流道的入口邊界和多個出口邊界的位置和流動方向；根據超聲速分流流道的設計結構的幾何約束，利用特征線法，確定第一壁面曲線；根據超聲速分流流道的設計結構的幾何約束，利用特征線法，確定與第一壁面曲線相連接的第二壁面曲線和與該第二壁面曲線相對的第三壁面曲線；根據超聲速分流流道的設計結構的幾何約束，利用二階連續曲線和特征線法確定超聲速分流流道的分流道的壁面曲線；根據第一壁面曲線和第二壁面曲線確定超聲速分流流道的總流道的下壁面曲線，根據超聲速分流流道的總流道的下壁面曲線確定超聲速分流流道的總流道的下壁面；根據第三壁面曲線確定超聲速分流流道的總流道的上壁面；根據超聲速分流流道的分流道的壁面曲線，確定超聲速分流流道的分流道的壁面。進一步地，出口邊界為兩個，根據超聲速分流流道的設計結構的幾何約束，利用特征線法，確定第一壁面曲線的步驟包括根據超聲速分流流道的設計結構的幾何約束，將入口邊界分為兩段，兩段入口邊界的長度的比值等于與該段入口邊界對應的出口邊界的流量的比值。進一步地，將入口邊界分為多段之后，根據超聲速分流流道的設計結構的幾何約束，利用特征線法，確定第一壁面曲線的步驟還包括根據兩段入口邊界的流場參數分布，利用特征線法，確定入口影響域，其中，兩個影響域的公共特征線垂直于入口邊界且過對應的分段點。進一步地，確定入口影響域之后，根據超聲速分流流道的設計結構的幾何約束，利用特征線法，確定第一壁面曲線的步驟還包括分別確定兩個影響域的遠離入口邊界的頂點，再根據所確定根據兩個頂點之間的流場參數分布，利用特征線法，確定第一壁面曲線。進一步地，確定第一壁面曲線之后，根據超聲速分流流道的設計結構的設計要求，利用特征線法，確定與第一壁面曲線相連接的第二壁面曲線和與該地二壁面曲線相對的第三壁面曲線的步驟包括根據超聲速進氣道的幾何約束，設置過渡段中心流線及其馬赫數分布，利用特征線法，確定第二壁面曲線和第三壁面曲線。進一步地，確定第二壁面曲線和第三壁面曲線之后，根據超聲速分流流道的設計結構的幾何約束，利用二階連續曲線和特征線法確定超聲速分流流道的分流道的壁面曲線的步驟包括根據超聲速進氣道設計的幾何約束，利用二階連續曲線，確定超聲速分流流道的分流道的第一分流道內壁面曲線和第二分流道內壁面曲線，其中，第一分流道內壁曲線和第二分流道內壁面曲線均與過渡中線流線相交于遠離入口邊界的一個端點處。進一步地，確定第一分流道內壁曲線和第二分流道內壁面曲線之后，根據超聲速分流流道的設計結構的幾何約束，利用二階連續曲線和特征線法確定超聲速分流流道的分流道的壁面曲線的步驟還包括根據超聲速分流流道的分流道的第一分流道內壁曲線和第二分流道內壁面曲線及其馬赫數分布，利用特征線法，確定超聲速分流流道的分流道的與第一分流道內壁曲線相對應的第一分流道外壁曲線和與第二分流道內壁面曲線相對應的第二分流道外壁面曲線。進一步地，特征線法包括預估步和校正步，該校正步根據預估步的結果進行校正。根據本發明的另一方面，提供了一種超聲分流流道，超聲速分流流道包括位于上游的總流道和位于下游的兩個分流道，總流道的出口與兩個分流道的入口相連通，總流道由上壁面曲線和下壁面曲線確定；分流道包括第一分流道和第二分流道，第一分流道和第二分流道由第一和第二分流道的內外壁面曲線確定；其中，上壁面曲線和下壁面曲線由超聲速分流流道的設計結構的幾何約束利用特征線法確定；第一和第二分流道的內外壁面曲線均由超聲速分流流道的設計結構的幾何約束利用二階連續曲線和特征線法確定。應用本發明的技術方案，超聲速分流道設計方法包括根據超聲速分流流道設計結構的幾何約束確定超聲速分流流道的入口邊界和多個出口邊界的位置和流動方向；根據超聲速分流流道的設計結構的幾何約束，利用特征線法，確定第一壁面曲線；根據超聲速分流流道的設計結構的幾何約束，利用特征線法，確定與第一壁面曲線相連接的第二壁面曲線和與該第二壁面曲線相對的第三壁面曲線；根據超聲速分流流道的設計結構的幾何約束，利用二階連續曲線和特征線法確定超聲速分流流道的分流道的壁面曲線；根據第一壁面曲線和第二壁面曲線確定超聲速分流流道的總流道的下壁面曲線，根據超聲速分流流道的總流道的下壁面曲線確定超聲速分流流道的總流道的下壁面；根據第三壁面曲線確定超聲速分流流道的總流道的上壁面；根據超聲速分流流道的分流流道的壁面曲線，確定超聲速分流流道的分流道的壁面。根據本方法確定的超聲速分流流道，其內部流場參數可以控制，分流流道內不會產生激波，可以實現超聲速流動的高效、低阻分流，與此同時，分流之后的流道可以根據設計要求隨意轉彎。
構成本發明的一部分的附圖用來提供對本發明的進一步理解，本發明的示意性實施例及其說明用于解釋本發明，并不構成對本發明的不當限定。
圖1示出了根據本發明的超聲速分流流道及其壁面確定方法的出口和入口邊界及其流動方向；圖2示出了根據本發明的超聲速分流流道及其壁面確定方法形成的出口邊界的分段示意圖；圖3示出了根據本發明的超聲速分流流道及其壁面確定方法形成的出口邊界分段后的對應段的影響域的示意圖；圖4示出了根據本發明的超聲速分流流道及其壁面確定方法形成的第一壁面曲線的示意圖；圖5示出了根據本發明的超聲速分流流道及其壁面確定方法形成的第二壁面曲線和第三壁面曲線的示意圖；圖6示出了根據本發明的超聲速分流流道及其壁面確定方法形成的分流道的上下壁面曲線的示意圖；圖7示出了根據本發明的超聲速分流流道及其壁面確定方法的特征線方程的求解過程示意圖；以及圖8示出了根據 本發明的超聲速分流流道及其壁面確定方法設計的超聲速分流流道的立體結構示意圖。
具體實施例方式下文中將參考附圖并結合實施例來詳細說明本發明。需要說明的是，在不沖突的情況下，本申請中的實施例及實施例中的特征可以相互組合。本發明中，超聲速段的馬赫數大于1. 2，亞聲速段的馬赫數小于O. 8，跨聲速段的馬赫數介于O. 8至1. 2之間。本發明的各附圖中，虛線表示流體流動方向。根據本發明的實施例，超聲速分流流道的壁面通過以下確定方法獲得。如圖1所示，首先根據超聲速分流流道設計結構的幾何約束確定超聲速分流流道的入口邊界A和多個出口邊界的位置及相應位置處的空氣流動方向，其中，入口邊界A以及多個出口邊界處的空氣流動方向均垂直于與該空氣流動位置相應的入口邊界A和多個出口邊界。參見圖1至圖4所示，以超聲速分流流道的分流道為兩股為例，其出口邊界為B和C，確定入口邊界A和出口邊界B和C之后，將入口邊界分A為兩段，即0-1和0-1’，其中O為分段點。兩段入口邊界0-1和0-1’的長度的比值等于與該段入口邊界對應的出口邊界B和C的流量的比值。然后根據兩段入口邊界0-1和0-1’的流場參數分布，利用特征線法，確定0_1段的影響域1-0-0”和0_1 ’段的影響域I ’ 0_0’。其中，影響域1-0-0”及I’ -0-0’的公共特征線0-0’垂直于入口邊界A且過對應的分段點O。確定影響域1-0-0”和Γ-0-0’之后，分別確定兩個影響域的遠離所述入口邊界的頂點，再根據所確定根據兩個頂點之間的流場參數分布，即點O’和O”之間的流場參數分布，利用特征線法，確定第一壁面曲線I’ -1”，其中，第一壁面曲線I’ -1”的接近入口邊界的端點I’與入口邊界A的第一端點I’重合。如圖5所示，確定第一壁面曲線I’-1”之后，根據超聲速進氣道設計結構的設計要求，設置過渡段中心流線0”-3及其馬赫數分布，利用特征線法，確定第二壁面曲線1”_2’和第三壁面曲線1-2，其中，第三壁面曲線1-2為第一壁面曲線I’ -1”和第二壁面曲線1”_2’組成的壁面曲線的對邊壁面曲線，第二壁面曲線1”_2’接近入口邊界A的端點與第一壁面I’-1”的遠離入口邊界A的端點I”相重合，第三壁面曲線1-2的接近入口邊界A的端點與入口邊界A的第二端點I相重合。如圖6所示，確定第二壁面曲線1”_2’和第三壁面曲線1-2之后，根據已確定的中心流線0”-3的遠離入口邊界的端點3和兩個出口邊界B和C的相鄰的兩端點5和5’的位置，，利用二階連續曲線，確定超聲速分流流道的分流道的第一分流道內壁面曲線3-5和第二分流道內壁面曲線3-5’，其中，第一分流道內壁曲線3-5’和第二分流道內壁面曲線3-5’均與過渡中線流線O”-3相交于遠離入口邊界的一個端點3處。確定第一分流道內壁曲線3-5和第二分流道內壁面曲線3-5’之后，根據超聲速分流流道的分流道的第一分流道內壁曲線3-5和第二分流道內壁面曲線3-5’及其馬赫數分布，利用特征線法，確定超聲速分流流道的分流道的與第一分流道內壁曲線3-5相對應的第一分流道外壁曲線2-4和與第二 分流道內壁面曲線3-5’相對應的第二分流道外壁面曲線 2， -4，。如圖8所示，根據上述第一壁面曲線I’-1”和第二壁面曲線1”_2’確定超聲速分流流道的總流道10的下壁面曲線I’ -1”-2’，根據所述超聲速分流流道的總流道10的下壁面曲線I’確定超聲速分流流道的總流道20的下壁面。根據上述第三壁面曲線1-2確定超聲速分流流道的總流道20的上壁面。根據上述超聲速分流流道的分流道的內壁面曲線3-5和3-5’，確定分流道的內壁面；根據上述超聲速分流流道的分流道的外壁面曲線2-4和2’ _4’，確定分流道的外壁面。此處的上下只是針對設計出來的超聲速分流流道而言，并不對其使用形成限制，即此處的上下并不代表實際使用中的上下方位。多于兩個出口邊界的超聲速分流流道的設計方法與上述的兩個出口邊界的超聲速分流流道的設計方法類似，這里不再詳述。其中利用特征線法對壁面曲線求解的過程如下假設已知壁面曲線上的兩點(X^r11M1, Θ 1；), (x2, r2, M2, θ2)，需要求解第三點(x3, r3, M3, θ3)時，可利用圖7所示的過程進行求解。在求解過程中，首先根據預估步對第三點進行求解，然后對求解值進行校正，獲得校正之后的第二點的坐標、馬赫數和流動方向角。預估步包括先求解(x3，r3)，μ ! = Sin^1(IM1)μ 2 = sirf1 (I/M2)hftan [ Θ 丄+μ Jh2=tan [ θ 2-μ 2]根據差分方程有rg-r^h! (X3-X1)r3-r2=h2(χ3-χ2)兩式相減可得
權利要求
1.一種超聲速分流流道的壁面確定方法，其特征在于，包括根據超聲速分流流道設計結構的幾何約束確定所述超聲速分流流道的入口邊界和多個出口邊界的位置和流動方向；根據所述超聲速分流流道的設計結構的幾何約束，利用特征線法，確定第一壁面曲線.根據所述超聲速分流流道的設計結構的幾何約束，利用特征線法，確定與所述第一壁面曲線相連接的第二壁面曲線和與該第二壁面曲線相對的第三壁面曲線；根據所述超聲速分流流道的設計結構的幾何約束，利用二階連續曲線和特征線法確定所述超聲速分流流道的分流道的壁面曲線；根據所述第一壁面曲線和所述第二壁面曲線確定所述超聲速分流流道的總流道的下壁面曲線，根據所述超聲速分流流道的總流道的下壁面曲線確定所述超聲速分流流道的總流道的下壁面；根據所述第三壁面曲線確定所述超聲速分流流道的總流道的上壁面；根據所述超聲速分流流道的分流道的壁面曲線，確定所述超聲速分流流道的分流道的壁面。
2.根據權利要求1所述的超聲速分流流道的壁面確定方法，其特征在于，所述出口邊界為兩個，所述根據所述超聲速分流流道的設計結構的幾何約束，利用所述特征線法，確定所述第一壁面曲線的步驟包括根據所述超聲速分流流道的設計結構的幾何約束，將所述入口邊界分為兩段，兩段所述入口邊界的長度的比值等于與該段入口邊界對應的所述出口邊界的流量的比值。
3.根據權利要求2所述的超聲速分流流道的壁面確定方法，其特征在于，將所述入口邊界分為多段之后，所述根據所述超聲速分流流道的設計結構的幾何約束，利用所述特征線法，確定所述第一壁面曲線的步驟還包括根據兩段所述入口邊界的流場參數分布，利用所述特征線法，確定入口影響域，其中，兩個所述影響域的公共特征線垂直于所述入口邊界且過對應的分段點。
4.根據權利要求3所述的超聲速分流流道的壁面確定方法，其特征在于，確定所述入口影響域之后，所述根據所述超聲速分流流道的設計結構的幾何約束，利用所述特征線法，確定所述第一壁面曲線的步驟還包括分別確定兩個所述影響域的遠離所述入口邊界的頂點，再根據所確定根據兩個頂點之間的流場參數分布，利用特征線法，確定所述第一壁面曲線，其中所述第一壁面曲線的接近入口邊界的端點與所述入口邊界的第一端點相重合。
5.根據權利要求4所述的超聲速分流流道的壁面確定方法，其特征在于，確定所述第一壁面曲線之后，所述根據所述超聲速分流流道的設計結構的幾何約束，利用特征線法，確定與所述第一壁面曲線相連接的第二壁面曲線和與該地二壁面曲線相對的第三壁面曲線的步驟包括根據超聲速進氣道的設計要求，設置過渡段中心流線及其馬赫數分布，利用特征線法，確定所述第二壁面曲線和第三壁面曲線，其中，所述第二壁面曲線接近入口邊界的端點與所述第一壁面的遠離所述入口邊界的端點相重合，所述第三壁面曲線的接近所述入口邊界的端點與所述入口邊界的第二端點相重合。
6.根據權利要求5所述的超聲速分流流道的壁面確定方法，其特征在于，確定所述第二壁面曲線和第三壁面曲線之后，所述根據所述超聲速分流流道的設計結構的幾何約束，利用所述二階連續曲線和特征線法確定所述超聲速分流流道的分流道的壁面曲線的步驟包括根據所述超聲速進氣道設計的幾何約束，利用所述二階連續曲線，確定所述超聲速分流流道的分流道的第一分流道內壁面曲線和第二分流道內壁面曲線，其中，所述第一分流道內壁曲線和所述第二分流道內壁面曲線均與所述過渡中線流線相交于遠離所述入口邊界的一個端點處。
7.根據權利要求6所述的超聲速分流流道的壁面確定方法，其特征在于，確定所述第一分流道內壁曲線和所述第二分流道內壁面曲線之后，所述根據所述超聲速分流流道的設計結構的幾何約束，利用所述二階連續曲線和特征線法確定所述超聲速分流流道的分流道的壁面曲線的步驟還包括根據所述第一分流道內壁曲線和所述第二分流道內壁面曲線及其馬赫數分布，利用所述特征線法，確定所述超聲速分流流道的分流道的與所述第一分流道內壁曲線相對應的第一分流道外壁曲線和與所述第二分流道內壁面曲線相對應的第二分流道外壁面曲線。
8.根據權利要求1至7中任一項所述的超聲速進氣道的壁面確定方法，其特征在于，所述特征線法包括預估步和校正步，該校正步根據所述預估步的結果進行校正。
9.一種超聲分流流道，其特征在于，所述超聲速分流流道包括位于上游的總流道和位于下游的兩個分流道，所述總流道的出口與兩個所述分流道的入口相連通，所述總流道由上壁面曲線和下壁面曲線確定；所述分流道包括第一分流道和第二分流道，所述第一分流道和所述第二分流道由所述第一和第二分流道的內外壁面曲線確定；其中，所述上壁面曲線和下壁面曲線由超聲速分流流道的設計結構的幾何約束利用特征線法確定；所述第一和第二分流道的內外壁面曲線均由所述超聲速分流流道的設計結構的幾何約束利用二階連續曲線和特征線法確定。
全文摘要
本發明提供了一種超聲速分流流道及其壁面確定方法。該超聲速分流流道的壁面確定方法包括根據超聲速分流流道設計結構的幾何約束確定其入口邊界和多個出口邊界的位置及流動方向，利用特征線法，確定第一壁面曲線、第二壁面曲線以及第三壁面曲線；在結合二階連續曲線確定分流道的壁面曲線；第一壁面曲線和第二壁面曲線確定總流道的下壁面曲線，總流道的下壁面曲線確定總流道的下壁面；第三壁面曲線確定總流道的上壁面；分流道的壁面曲線確定分流道的壁面。根據本方法確定的超聲速分流流道，內部流場參數可以控制，分流流道內不會產生激波，實現超聲速流動的高效、低阻分流，分流之后的流道可以根據設計要求隨意轉彎。
文檔編號F15D1/02GK103032424SQ20121059068
公開日2013年4月10日 申請日期2012年12月31日 優先權日2012年12月31日
發明者趙玉新, 趙延輝 申請人:中國人民解放軍國防科學技術大學