一种基于流线追踪的双钟型尾喷管设计方法

技术领域

本发明属于动力技术领域，具体涉及一种基于流线追踪的双钟型尾喷管设计方法。

背景技术

随着飞行器飞行速度、高度的不断提高，不同飞行速度下发动机尾喷管的理想构型差异巨大，如在高空飞行时，需将尾喷管进出口的面积比设计的比较高，以提高出口冲量；在海平面飞行时，尾喷管面积比设计的需求又比较低，过大的面积比导致喷管性能下降，甚至发生大范围流动振荡。双钟型尾喷管作为一种高度补偿尾喷管，可在一定工作范围内具有气动自适应性，兼顾高空和海平面的飞行需求。

双钟型尾喷管的型面分为基弧段和延伸段，均需进行气动设计。文献(ActaAstronautica 130(2017)52–59)中提出了一种双钟型尾喷管的直接设计方法，基弧段由圆弧和三次曲线构成，延伸段由特征线法求解射流边界得到。

文献(Acta Astronautica 130(2017)52–59)中提出的直接设计方法获得的尾喷管在高空和海平面均具备较好的推力性能，但是总长度较长，出口面积不确定，在给定出口面积时无法进行反向设计。然而，在工程应用中，常常需要在较短的长度、给定的出口面积等强几何约束下进行设计。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：如何设计一种既能具备较好的高空及海平面推力性能，又能满足强几何约束下的双钟型尾喷管设计方法。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于流线追踪的双钟型尾喷管设计方法，包括以下步骤：

步骤一：以低空状态参数为输入设计最大推力尾喷管型线，作为基弧段基准型线，该基弧段基准型线的出口高度比尾喷管的高度约束小；

步骤二：在基弧段基准型线上设置转折点的初始位置，设置为尾喷管的长度约束的中间位置；

步骤三：基于当前转折点位置求解内外流耦合无粘流场，在计算所得的内外流耦合无粘流场中提取转折点出发的流线；

步骤四：判断所述流线的几何位置是否满足尾喷管的几何约束，包括长度和高度约束：若满足几何约束，则由当前的转折点之前的基弧段和转折点之后的流线构成最终的双钟型尾喷管型线；若不满足几何约束，则进行下一步判断；

步骤五：判断所述流线的几何位置是否高于尾喷管的几何约束，若高于几何约束，则沿着基弧段基准型线向前移动转折点；若低于尾喷管的几何约束，则沿着基弧段基准型线向后移动转折点位置；

步骤六：根据新的转折点位置，返回步骤三，直到获得满足几何约束的最终的双钟型尾喷管型线。

优选地，步骤一中，根据现有的特征线方法设计最大推力尾喷管型线。

优选地，步骤一中，设计的该基弧段基准型线的出口长度不受限制。

本发明还提供了一种基于所述的方法设计的双钟型尾喷管。

优选地，所述双钟型尾喷管的型面具有基弧段和延伸段两部分型线，所述基弧段和延伸段两部分型线连接处为所述转折点。

优选地，所述基弧段和延伸段连接处的转折点为凸拐点。

优选地，所述凸拐点用于控制低空状态流动分离的位置。

本发明还提供了一种所述的双钟型尾喷管在发动机尾喷管设计中的应用。

本发明还提供了一种所述的方法在动力技术领域中的应用。

本发明还提供了一种所述的双钟型尾喷管在动力技术领域中的应用。

(三)有益效果

本发明在设计双钟型尾喷管时，基于流线追踪的思想，迭代设计延伸段型线。一方面，流线追踪获得的型线本身具有较高的性能和较强的适应性；另一方面，迭代设计满足了工程应用上的强几何约束。由于利用了流线追踪思想，考虑了强几何约束，利用本发明的方法设计出的双钟型尾喷管在低空状态和高空状态均具有较高的推力性能。

附图说明

图1为本发明设计的双钟型尾喷管示意图；

图2为本发明的设计方法流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

图1是双钟型尾喷管结构示意图。双钟型尾喷管的型面具有基弧段和延伸段两部分型线，连接处的转折点为凸拐点，可控制低空状态流动分离的位置，从而实现尾喷管的自适应性。基弧段和延伸段的型线设计对尾喷管的性能十分重要。

图2是本发明技术方案的设计方法主流程图。如图2所示，本发明提出基于流线追踪的双钟型尾喷管设计方法包括下列步骤：

步骤一：以低空状态参数为输入，根据现有的特征线方法设计最大推力尾喷管型线，作为基弧段基准型线，该基弧段基准型线的出口高度比尾喷管的高度约束小，长度不受限制；

步骤二：在基弧段基准型线上设置转折点的初始位置，本方法中选取尾喷管的长度约束的中间位置；

步骤三：基于当前转折点位置求解内外流耦合无粘流场，在计算所得的内外流耦合无粘流场中提取转折点出发的流线；

步骤四：判断所述流线的几何位置是否满足尾喷管的几何约束，包括长度和高度约束：若满足几何约束，则由当前的转折点之前的基弧段和转折点之后的流线构成最终的双钟型尾喷管型线；若不满足几何约束，则进行下一步判断；

步骤五：判断所述流线的几何位置是否高于尾喷管的几何约束，若高于几何约束，则沿着基弧段基准型线向前移动转折点；若低于尾喷管的几何约束，则沿着基弧段基准型线向后移动转折点位置；

步骤六：根据新的转折点位置，返回步骤三，直到获得满足几何约束的双钟型尾喷管型线。

利用本发明的方法设计的双钟型尾喷管既能具备较好的高空及海平面推力性能，又能满足强几何约束。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。