[發(fā)明專利]高超聲速靜風(fēng)洞噴管設(shè)計方法及該噴管轉(zhuǎn)捩位置確定方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410183659.5
• 申請日: 2014-04-30
• 公開（公告）號: CN103954425A
• 公開（公告）日: 2014-07-30
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 李存標(biāo)
• 申請（專利權(quán)）人: 北京大學(xué)
• 主分類號: G01M9/04
• 分類號: G01M9/04
• 代理公司: 北京康信知識產(chǎn)權(quán)代理有限責(zé)任公司 11240
• 代理人: 趙囡囡;張永明

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及高超聲速風(fēng)洞設(shè)計技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種高超聲速靜風(fēng)洞噴管設(shè)計方法及該噴管轉(zhuǎn)捩位置確定方法。

背景技術(shù)

風(fēng)洞實驗是指在一個按一定要求設(shè)計的管道內(nèi)，使用動力裝置驅(qū)動一股可控制的氣流，將實驗?zāi)Ｐ?00(參見圖1和圖2所示)固定在管道的試驗區(qū)內(nèi)，根據(jù)運動的相對性和相似性原理進(jìn)行各種空氣動力實驗，以模擬空中各種飛行狀態(tài)，獲取模型實驗數(shù)據(jù)。高超聲速風(fēng)洞是風(fēng)洞的一種，廣泛的應(yīng)用于導(dǎo)彈、飛機(jī)、火箭等的模型實驗，是航空航天領(lǐng)域內(nèi)一項基本的實驗設(shè)備。

普通的高超聲速風(fēng)洞流場一般能夠?qū)崿F(xiàn)高空大氣速度場、溫度場、壓力場等的模擬，但是存在較高的氣動噪聲和湍流度，比高空大氣的“安靜”流場高1～2個數(shù)量級，因此模型在普通的高超聲速風(fēng)洞中進(jìn)行試驗，某些試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性嚴(yán)重偏離真實情況，從而為模型的準(zhǔn)確設(shè)計帶來困難。

為此需研究一種氣動噪聲和湍流度，與高空大氣接近的高超聲速風(fēng)洞(高空大氣的湍流度一般只有0.03％)，我們稱之為高超聲速靜風(fēng)洞，它是高超聲速風(fēng)洞的一種，是高超聲速風(fēng)洞中性能和流場品質(zhì)最好的一種風(fēng)洞。

噴管是高超聲速風(fēng)洞的關(guān)鍵部件，它安裝在風(fēng)洞穩(wěn)定段的下游和試驗段的上游。如圖1所示，傳統(tǒng)噴管一般包括收縮區(qū)10、喉道區(qū)11和擴(kuò)張區(qū)12三部分，為了在試驗段產(chǎn)生高超聲速氣流，噴管的收縮區(qū)10將氣流從低亞聲速均勻加速到聲速，然后氣流從噴管的喉道區(qū)11開始等熵均勻加速膨脹，至噴管擴(kuò)張區(qū)12出口達(dá)到所要求的馬赫數(shù)，因此噴管是保證實驗段獲得設(shè)計馬赫數(shù)的重要風(fēng)洞部件。

對于傳統(tǒng)的高超聲速風(fēng)洞，收縮區(qū)10、喉道區(qū)11和擴(kuò)張區(qū)12是傳統(tǒng)噴管的三個部分(如圖1所示)，收縮區(qū)10為一連續(xù)收縮的型面，喉道區(qū)11為曲線直徑最小的部分，擴(kuò)張區(qū)12為一連續(xù)擴(kuò)大的型面，喉道區(qū)11將收縮區(qū)10和擴(kuò)張區(qū)12無縫連接起來，形成整體噴管曲線。見圖1所示。試驗?zāi)Ｐ驮趪姽艹隹谶M(jìn)行實驗。為了達(dá)到高超聲速靜風(fēng)洞設(shè)計要求，圖1中所示的傳統(tǒng)噴管設(shè)計已不能滿足要求，傳統(tǒng)噴管需要進(jìn)行改造，可以設(shè)計成如圖2所示的結(jié)構(gòu)。

為得到高超聲速靜風(fēng)洞，噴管的設(shè)計至關(guān)重要，要求噴管的設(shè)計達(dá)到層流噴管的水平，所謂層流噴管，就是說噴管表面的流動必須是層流邊界層，但是眾所周知一般的噴管的流動其邊界層均是湍流邊界層15，如圖1所示，一般的噴管其內(nèi)表面幾乎全部是湍流邊界層15，而湍流邊界層15的噴管是不可能得到高超聲速靜風(fēng)洞的。

圖2是目前采用的一種高超聲速靜風(fēng)洞噴管結(jié)構(gòu)，即將噴管在喉道位置“打斷”，噴管在喉道區(qū)11的曲線不再連續(xù)，將噴管分成四部分，收縮區(qū)10、抽吸區(qū)16、喉道區(qū)11、擴(kuò)張區(qū)12，抽吸區(qū)16的作用是將收縮區(qū)10壁面發(fā)展的湍流邊界層抽吸出去，消除了前方湍流對噴管下游的影響，維持噴管壁面邊界層為層流；由于風(fēng)洞流場品質(zhì)與噴管壁面邊界層層流長度有密切關(guān)系，噴管壁面邊界層層流長度越長，噴管的流場品質(zhì)越好。因此此舉可提高噴管性能和流場品質(zhì)，大幅降低噴管的湍流度和噪聲，達(dá)到靜風(fēng)洞的水平。

圖3所示為帶邊界層抽吸的靜噴管轉(zhuǎn)捩過程圖，從圖可以看出，抽吸區(qū)16將收縮區(qū)10壁面發(fā)展的收縮區(qū)湍流層17抽吸出去，由于湍流邊界層被抽走，從喉道區(qū)11開始，邊界層重新開始生成，此時開始的邊界層為層流邊界層，層流邊界層經(jīng)過一段距離的發(fā)展再變成湍流邊界層15，如圖3所示，喉道區(qū)11至轉(zhuǎn)捩區(qū)域14的T點之間為層流邊界層18，但是層流邊界層18并不能夠維持整個擴(kuò)張區(qū)12的長度，也就是說層流邊界層18并沒有達(dá)到理想的C點，而是到T點流動就開始轉(zhuǎn)捩，形成湍流邊界層15，從湍流邊界層15轉(zhuǎn)捩的T點開始，馬赫波向下游輻射，湍流邊界層15的噪聲輻射影響到下游區(qū)域，造成TEFC和T’EFC’不是靜風(fēng)洞噴管的靜試驗區(qū)域。

根據(jù)高超聲速空氣動力學(xué)知識，高超聲速噴管模型試驗區(qū)域是CSC’F的菱形四邊形。根據(jù)以上分析，CSC’F的菱形四邊形減去下游湍流影響的噪聲區(qū)域CAEF和C’BEF，對于高超聲速靜風(fēng)洞的試驗區(qū)域就是ASBE的菱形四邊形，靜試驗區(qū)域的長度為ΔX，高度為ΔY，靜試驗區(qū)的長度ΔX、高度ΔY是衡量靜風(fēng)洞性能的非常重要的指標(biāo)，因為它們決定了模型的外形尺寸大小，而模型如果太小，意味著實驗雷諾數(shù)太小，試驗結(jié)果受到影響。

發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，噴管內(nèi)表面從層流到湍流轉(zhuǎn)捩點T是一個非常重要的參數(shù)，必須預(yù)測T點位置，才知道靜風(fēng)洞噴管試驗區(qū)域的大小，也是說噴管設(shè)計時，就要進(jìn)行T點的預(yù)測，這個非常重要，因為如果不進(jìn)行預(yù)先計算，可能噴管設(shè)計完成后，進(jìn)行調(diào)試，發(fā)現(xiàn)靜試驗區(qū)的長度ΔX、高度ΔY非常小，那就根本沒辦法進(jìn)行靜風(fēng)洞噴管試驗，靜風(fēng)洞設(shè)計就會失敗。