專利名稱：超聲速分流流道及其壁面確定方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及空氣動力設(shè)計(jì)領(lǐng)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(shù)：
隨著現(xiàn)代空氣動力學(xué)研究的發(fā)展，超聲速流動的分流技術(shù)在實(shí)驗(yàn)研究領(lǐng)域發(fā)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(chǎn)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?，F(xiàn)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(diǎn)，不可避免地會出現(xiàn)激波，導(dǎo)致總壓損失、氣流畸變。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在提供一種超聲速分流流道及其壁面確定方法，能夠?qū)⒁还沙曀贇饬鞣指舫蓛晒苫蚨喙蓺饬?，并且不產(chǎn)生激波。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，根據(jù)本發(fā)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(jù)超聲速分流流道設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)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(jù)超聲速分流流道的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的幾何約束，利用特征線法，確定第一壁面曲線；根據(jù)超聲速分流流道的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)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(jù)超聲速分流流道的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的幾何約束，利用二階連續(xù)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(jù)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(jù)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(jù)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(jù)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(jìn)一步地，出口邊界為兩個，根據(jù)超聲速分流流道的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)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(jù)超聲速分流流道的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)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(yīng)的出口邊界的流量的比值。進(jìn)一步地，將入口邊界分為多段之后，根據(jù)超聲速分流流道的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)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(jù)兩段入口邊界的流場參數(shù)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(yīng)的分段點(diǎn)。進(jìn)一步地，確定入口影響域之后，根據(jù)超聲速分流流道的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)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(yuǎn)離入口邊界的頂點(diǎn)，再根據(jù)所確定根據(jù)兩個頂點(diǎn)之間的流場參數(shù)分布，利用特征線法，確定第一壁面曲線。進(jìn)一步地，確定第一壁面曲線之后，根據(jù)超聲速分流流道的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)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(jù)超聲速進(jìn)氣道的幾何約束，設(shè)置過渡段中心流線及其馬赫數(shù)分布，利用特征線法，確定第二壁面曲線和第三壁面曲線。進(jìn)一步地，確定第二壁面曲線和第三壁面曲線之后，根據(jù)超聲速分流流道的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的幾何約束，利用二階連續(xù)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(jù)超聲速進(jìn)氣道設(shè)計(jì)的幾何約束，利用二階連續(xù)曲線，確定超聲速分流流道的分流道的第一分流道內(nèi)壁面曲線和第二分流道內(nèi)壁面曲線，其中，第一分流道內(nèi)壁曲線和第二分流道內(nèi)壁面曲線均與過渡中線流線相交于遠(yuǎn)離入口邊界的一個端點(diǎn)處。進(jìn)一步地，確定第一分流道內(nèi)壁曲線和第二分流道內(nèi)壁面曲線之后，根據(jù)超聲速分流流道的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的幾何約束，利用二階連續(xù)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(jù)超聲速分流流道的分流道的第一分流道內(nèi)壁曲線和第二分流道內(nèi)壁面曲線及其馬赫數(shù)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(nèi)壁曲線相對應(yīng)的第一分流道外壁曲線和與第二分流道內(nèi)壁面曲線相對應(yīng)的第二分流道外壁面曲線。進(jìn)一步地，特征線法包括預(yù)估步和校正步，該校正步根據(jù)預(yù)估步的結(jié)果進(jìn)行校正。根據(jù)本發(fā)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(nèi)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(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的幾何約束利用特征線法確定；第一和第二分流道的內(nèi)外壁面曲線均由超聲速分流流道的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的幾何約束利用二階連續(xù)曲線和特征線法確定。應(yīng)用本發(fā)明的技術(shù)方案，超聲速分流道設(shè)計(jì)方法包括根據(jù)超聲速分流流道設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)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(jù)超聲速分流流道的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的幾何約束，利用特征線法，確定第一壁面曲線；根據(jù)超聲速分流流道的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)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(jù)超聲速分流流道的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的幾何約束，利用二階連續(xù)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(jù)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(jù)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(jù)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(jù)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(jù)本方法確定的超聲速分流流道，其內(nèi)部流場參數(shù)可以控制，分流流道內(nèi)不會產(chǎn)生激波，可以實(shí)現(xiàn)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(jù)設(shè)計(jì)要求隨意轉(zhuǎn)彎。


構(gòu)成本發(fā)明的一部分的附圖用來提供對本發(fā)明的進(jìn)一步理解，本發(fā)明的示意性實(shí)施例及其說明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對本發(fā)明的不當(dāng)限定。
圖1示出了根據(jù)本發(fā)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(jù)本發(fā)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(jù)本發(fā)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(yīng)段的影響域的示意圖；圖4示出了根據(jù)本發(fā)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(jù)本發(fā)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(jù)本發(fā)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(jù)本發(fā)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(jù) 本發(fā)明的超聲速分流流道及其壁面確定方法設(shè)計(jì)的超聲速分流流道的立體結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式下文中將參考附圖并結(jié)合實(shí)施例來詳細(xì)說明本發(fā)明。需要說明的是，在不沖突的情況下，本申請中的實(shí)施例及實(shí)施例中的特征可以相互組合。本發(fā)明中，超聲速段的馬赫數(shù)大于1. 2，亞聲速段的馬赫數(shù)小于O. 8，跨聲速段的馬赫數(shù)介于O. 8至1. 2之間。本發(fā)明的各附圖中，虛線表示流體流動方向。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)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(jù)超聲速分流流道設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)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(yīng)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(yīng)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(diǎn)。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(yīng)的出口邊界B和C的流量的比值。然后根據(jù)兩段入口邊界0-1和0-1’的流場參數(shù)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(yīng)的分段點(diǎn)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(yuǎn)離所述入口邊界的頂點(diǎn)，再根據(jù)所確定根據(jù)兩個頂點(diǎn)之間的流場參數(shù)分布，即點(diǎn)O’和O”之間的流場參數(shù)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(diǎn)I’與入口邊界A的第一端點(diǎn)I’重合。如圖5所示，確定第一壁面曲線I’-1”之后，根據(jù)超聲速進(jìn)氣道設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求，設(shè)置過渡段中心流線0”-3及其馬赫數(shù)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(diǎn)與第一壁面I’-1”的遠(yuǎn)離入口邊界A的端點(diǎn)I”相重合，第三壁面曲線1-2的接近入口邊界A的端點(diǎn)與入口邊界A的第二端點(diǎn)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(jù)已確定的中心流線0”-3的遠(yuǎn)離入口邊界的端點(diǎn)3和兩個出口邊界B和C的相鄰的兩端點(diǎn)5和5’的位置，，利用二階連續(xù)曲線，確定超聲速分流流道的分流道的第一分流道內(nèi)壁面曲線3-5和第二分流道內(nèi)壁面曲線3-5’，其中，第一分流道內(nèi)壁曲線3-5’和第二分流道內(nèi)壁面曲線3-5’均與過渡中線流線O”-3相交于遠(yuǎn)離入口邊界的一個端點(diǎn)3處。確定第一分流道內(nèi)壁曲線3-5和第二分流道內(nèi)壁面曲線3-5’之后，根據(jù)超聲速分流流道的分流道的第一分流道內(nèi)壁曲線3-5和第二分流道內(nèi)壁面曲線3-5’及其馬赫數(shù)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(nèi)壁曲線3-5相對應(yīng)的第一分流道外壁曲線2-4和與第二 分流道內(nèi)壁面曲線3-5’相對應(yīng)的第二分流道外壁面曲線 2， -4，。如圖8所示，根據(jù)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(jù)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(jù)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(jù)上述超聲速分流流道的分流道的內(nèi)壁面曲線3-5和3-5’，確定分流道的內(nèi)壁面；根據(jù)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(shè)計(jì)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(shí)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(shè)計(jì)方法與上述的兩個出口邊界的超聲速分流流道的設(shè)計(jì)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(shè)已知壁面曲線上的兩點(diǎn)(X^r11M1, Θ 1；), (x2, r2, M2, θ2)，需要求解第三點(diǎn)(x3, r3, M3, θ3)時，可利用圖7所示的過程進(jìn)行求解。在求解過程中，首先根據(jù)預(yù)估步對第三點(diǎn)進(jìn)行求解，然后對求解值進(jìn)行校正，獲得校正之后的第二點(diǎn)的坐標(biāo)、馬赫數(shù)和流動方向角。預(yù)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(jù)差分方程有rg-r^h! (X3-X1)r3-r2=h2(χ3-χ2)兩式相減可得
權(quán)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(jù)超聲速分流流道設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)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(jù)所述超聲速分流流道的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的幾何約束，利用特征線法，確定第一壁面曲線.根據(jù)所述超聲速分流流道的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)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(jù)所述超聲速分流流道的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的幾何約束，利用二階連續(xù)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(jù)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(jù)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(jù)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(jù)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(jù)權(quán)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(jù)所述超聲速分流流道的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)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(jù)所述超聲速分流流道的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)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(yīng)的所述出口邊界的流量的比值。
3.根據(jù)權(quán)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(jù)所述超聲速分流流道的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)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(jù)兩段所述入口邊界的流場參數(shù)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(yīng)的分段點(diǎn)。
4.根據(jù)權(quán)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(jù)所述超聲速分流流道的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)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(yuǎn)離所述入口邊界的頂點(diǎn)，再根據(jù)所確定根據(jù)兩個頂點(diǎn)之間的流場參數(shù)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(diǎn)與所述入口邊界的第一端點(diǎn)相重合。
5.根據(jù)權(quán)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(jù)所述超聲速分流流道的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)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(jù)超聲速進(jìn)氣道的設(shè)計(jì)要求，設(shè)置過渡段中心流線及其馬赫數(shù)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(diǎn)與所述第一壁面的遠(yuǎn)離所述入口邊界的端點(diǎn)相重合，所述第三壁面曲線的接近所述入口邊界的端點(diǎn)與所述入口邊界的第二端點(diǎn)相重合。
6.根據(jù)權(quán)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(jù)所述超聲速分流流道的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的幾何約束，利用所述二階連續(xù)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(jù)所述超聲速進(jìn)氣道設(shè)計(jì)的幾何約束，利用所述二階連續(xù)曲線，確定所述超聲速分流流道的分流道的第一分流道內(nèi)壁面曲線和第二分流道內(nèi)壁面曲線，其中，所述第一分流道內(nèi)壁曲線和所述第二分流道內(nèi)壁面曲線均與所述過渡中線流線相交于遠(yuǎn)離所述入口邊界的一個端點(diǎn)處。
7.根據(jù)權(quán)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(nèi)壁曲線和所述第二分流道內(nèi)壁面曲線之后，所述根據(jù)所述超聲速分流流道的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的幾何約束，利用所述二階連續(xù)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(jù)所述第一分流道內(nèi)壁曲線和所述第二分流道內(nèi)壁面曲線及其馬赫數(shù)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(nèi)壁曲線相對應(yīng)的第一分流道外壁曲線和與所述第二分流道內(nèi)壁面曲線相對應(yīng)的第二分流道外壁面曲線。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的超聲速進(jìn)氣道的壁面確定方法，其特征在于，所述特征線法包括預(yù)估步和校正步，該校正步根據(jù)所述預(yù)估步的結(jié)果進(jìn)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(nèi)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(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)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(nèi)外壁面曲線均由所述超聲速分流流道的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的幾何約束利用二階連續(xù)曲線和特征線法確定。
全文摘要
本發(fā)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(jù)超聲速分流流道設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)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(jié)合二階連續(xù)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(jù)本方法確定的超聲速分流流道，內(nèi)部流場參數(shù)可以控制，分流流道內(nèi)不會產(chǎn)生激波，實(shí)現(xiàn)超聲速流動的高效、低阻分流，分流之后的流道可以根據(jù)設(shè)計(jì)要求隨意轉(zhuǎn)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(yōu)先權(quán)日2012年12月31日
發(fā)明者趙玉新, 趙延輝 申請人:中國人民解放軍國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)