一种用于非均匀来流的圆形转环形超声速流道设计方法及流道

技术领域

本发明涉及超声速设备进气系统和内流道技术领域，尤其涉及一种用于非均匀来流的圆形转环形超声速流道设计方法。

背景技术

超声速内流道广泛存在于涡喷发动机进气系统、超声速风洞和引射真空泵等设备内。为了满足使用需求，通常将内流道设计为各种特定的结构形态，于此可以从不同的角度对超声速流道行分类：根据流道的转弯特性，可将其划分为等直流道和弯曲流道；根据流道的面积变化规律，又可将其划分为扩张流道和收缩流道；根据流道的截面形状，可将其划分为圆形流道、矩形流道、异形流道等。

不同结构形态的超声速流道的流动特性存在差异，目前，国内外关于超声速流道的研究取得了很大进展，也由此发展了一些超声速流道的设计方法。下面基于等直流道和弯曲流道这一分类形式进行介绍：

对于等直超声速流道，人们对其中激波，膨胀波以及边界层相互干扰的流动机理认识比较清楚，提出了一些能指导等直隔离段设计的半经验公式。(文献“Structure ofShock Waves in Cylindrical Ducts[J],P.J.Waltrup,F.S.Billig,AIAA Journal,1973”)

相比于等直流道，弯曲管道存在曲率，使得流道内存在较强的横向压力梯度和流动的非均匀性(文献超声速内流道型面设计及其流动机理研究，郭善广)。基于这一特性，弯曲超声速流道设计的方法主要有：文献“复杂变截面进气道的一种设计方法[J]，周慧晨，航空动力学报,2009”，该文章提出了一种基于曲率控制的截面形状生成与过渡技术，可实现进气道任意进口截面形状向出口圆截面的过渡；文献“超声速转弯流道设计方法[P]”提供了一种超声速转弯流道设计方法，该方法根据流道入口和单边壁面曲线，利用特征线法确定对应于单边壁面曲线的对边壁面曲线，根据出口流场参数确定超声速流道壁面曲线，能够获得全流场为超声速的无激波超声速流道；文献‘一种高超声速隔离段优化设计方法及系统[P]’提出了一种基于几何融合的三维弯曲变截面流道设计方法，其优点为能满足入口和出口形状要求，同时也能满足偏置要求。

目前，虽然已经发展了针对方转圆、异形转圆的超声速流道设计方法，然而该方法并无法直接应用于要求流道截面为环形的超声速设备。另一方面，很多时候超声速流道内的流动并非均匀，而将非均匀的圆形流动转化为均匀的环形流动的流道设计方面目前也并不可见。

由上可知，在一些超声速设备进气系统、超声速流动地面设备等场合，都要求流道截面为环形，并且对环形通道内的流动均匀性提出了较高要求。然而，很多时候上游入口通道为流动非均匀的圆形流道。目前未见超声速流道设计方法将非均匀的圆形入口流动转化为均匀的环形出口流动。此外，)即便通过三维造型软件如Solidworks、CATIA等可以"画"出相应的圆形转环形出口超声速流道，但是不仅“画”的过程费时费力，更重要的是无法精准控制流道的气动型面(譬如控制沿程面积变化规律、每个截面的形状特征、流道的“弯曲”特征等)。因此，很难保证超声速流道在非均匀来流下具有优良的流动特性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于非均匀来流的圆形转环形超声速流道设计方法及流道。

为实现上述发明目的，本发明提供一种用于非均匀来流的圆形转环形超声速流道设计方法，包括以下步骤：

S1.获取超声速流道的流道入口形状和入口尺寸参数，以及，获取所述超声速流道的流道出口形状和出口尺寸参数；其中，所述流道入口形状为圆形，所述流道出口形状为环形；

S2.基于所述流道入口形状和所述流道出口形状确定出所述超声速流道的基本构型，其中，所述超声速流道包括：整体呈锥形结构的中心体和用于包围所述中心体的外壁；

S3.沿所述超声速流道的流向方向，拟合出所述中心体的中心体型面；

S4.获取控制所述超声速流道流向截面面积变化的流向截面控制方案，基于所述流向截面控制方案和所述中心体型面，拟合出所述外壁的外壁型面；

S5.获取所述中心体型面的偏心控制方案，基于所述偏心控制方案对所述中心体型面进行偏心调整，以生成所述超声速流道。

根据本发明的一个方面，步骤S3中，沿所述超声速流道的流向方向，拟合出所述中心体的中心体型面的步骤中，包括：

S31.采用CST造型法沿所述超声速流道的流向方向构造出所述中心体的基础三维构型的数字模型；

S32.获取控制所述基础三维构型的母线变化的母线变化控制方案；

S33.获取控制所述基础三维构型的横截面指数变化的横截面指数变化控制方案；

S34.基于所述数字模型、所述母线变化控制方案和所述横截面指数变化控制方案，获得所述中心体的中心体型面。

根据本发明的一个方面，步骤S31中，采用CST造型法沿所述超声速流道的流向构造出所述中心体的基础三维构型的数字模型的步骤中，包括：

S311.获取用于生成所述中心体基本外形的第一类函数和用于修正所述中心体基本外形的形函数；

S312.沿所述超声速流道的流向方向，基于所述第一类函数和所述形函数描述所述中心体的剖面形状并生成一系列所述中心体的剖面；

S313.获取用于控制所述剖面在三维空间变化和分布的第二类函数，并基于所述第二类函数对所述剖面的空间变化和分布进行约束，以获得所述数字模型。

根据本发明的一个方面，步骤S312中，基于所述第一类函数和所述形函数描述所述中心体的剖面形状的步骤中，所述剖面形状表示为：

其中，

根据本发明的一个方面，所述中心体的剖面具有上下两个部分，且所述剖面上下的两个部分采用相同类型的曲线构成，则所述剖面形状简化为：

其中，N

根据本发明的一个方面，步骤S32中，所述母线变化控制方案基于B样条曲线构建；

步骤S33中，所述横截面指数变化控制方案基于B样条曲线构建。

根据本发明的一个方面，沿所述超声速流道的流向方向，所述中心体型面为径向逐渐变大的锥状型面；

步骤S4中，获取用于控制所述超声速流道的流向截面面积变化的流向截面控制方案的步骤中，所述流向截面控制方案包括：流向截面扩张子方案和流向截面缩小子方案；其中，

获取所述超声速流道的流向截面扩张比例，利用B样条曲线构建出所述流向截面扩张子方案；

获取所述超声速流道的流向截面缩小比例，利用B样条曲线构建出所述流向截面缩小子方案。

根据本发明的一个方面，步骤S4中，所述外壁型面为轴对称的旋成型面；其中，所述外壁型面的剖面半径表示为：

其中，R(i)表示所述外壁型面的剖面半径，R

根据本发明的一个方面，步骤S5中，获取所述中心体型面的偏心控制方案，基于所述偏心控制方案对所述中心体型面进行偏心控制，以获取所述超声速流道的步骤中，包括：

基于B样条曲线构建用于调整所述中心体型面中剖面位置的偏心控制方案；

基于所述偏心控制方案调整所述中心体型面中剖面坐标相对所述外壁型面中剖面坐标的偏置距离，以确定出所述中心体型面和所述外壁型面并获得所述超声速流道；其中，对于所述中心体型面的所述剖面，其偏置的坐标表示为：

y

y

其中，x

为实现上述发明目的，本发明提供一种采用前述的圆形转环形超声速流道设计方法所生成的流道，包括：中心体和外壁；

所述中心体处于所述外壁内部；

沿所述超声速流道的流向方向，在所述外壁的前端与所述中心体之间构成圆形的流道入口，所述外壁的后端与所述中心体之间构成环形的流道出口。

根据本发明的一种方案，采用本发明的设计方法，不仅能够将圆形截面的流动转为环形截面的流动，而且能够极大地增强流动均匀性。

根据本发明的一种方案，本发明所述的基于CST中心体和轴对称外壁面的圆形转环形超声速流道设计方法，不仅对型面细节的可控程度高，而且控制变量少、方法简单，设计出的产品具有结构简单、流动损失小、易于调节流动均匀性等优点。

根据本发明的一种方案，本发明根据给定非均匀来流的圆形入口和环形出口形状，通过外壁和异形中心体实现圆形转环形，并将非均匀来流转为均匀流动。

附图说明

图1是示意性表示根据本发明的一种实施方式的用于非均匀来流的圆形转环形超声速流道设计方法的步骤框图；

图2是示意性表示根据本发明的一种实施方式的超声速流道的结构图；

图3是示意性表示根据本发明的一种实施方式的中心体的结构图；

图4是示意性表示根据本发明的一种实施方式的外壁的结构图；

图5是示意性表示根据本发明的一种实施方式的母线变化控制方案中三条母线的变化规律控制曲线图，其中，(a)表示母线a(x)的变化规律控制曲线图，(b)表示母线b

图6是示意性表示根据本发明的一种实施方式的横截面指数变化控制方案中横截面指数变化规律控制曲线图；

图7是示意性表示根据本发明的一种实施方式的完成二次优化控制的中心体型面图；

图8是示意性表示根据本发明的一种实施方式的流向截面控制方案中的截面扩张比例变化规律控制曲线和截面缩小比例变化规律控制曲线图，其中，(a)表示截面扩张比例变化规律控制曲线，(b)表示截面缩小比例变化规律控制曲线；

图9是示意性表示根据本发明的一种实施方式的偏心控制方案偏心变化控制曲线图；

图10是示意性表示根据本发明的一种实施方式的偏心控制前后的中心体型面变化图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细地描述，实施方式不能在此一一赘述，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施方式。

如图1所示，根据本发明的一种实施方式，本发明的一种用于非均匀来流的圆形转环形超声速流道设计方法，包括以下步骤：

S1.获取超声速流道的流道入口形状和入口尺寸参数，以及，获取超声速流道的流道出口形状和出口尺寸参数；其中，流道入口形状为圆形，流道出口形状为环形；

S2.基于流道入口形状和流道出口形状确定出超声速流道的基本构型，其中，超声速流道包括：整体呈锥形结构的中心体和用于包围中心体的外壁；

S3.沿超声速流道的流向方向，拟合出中心体的中心体型面；

S4.获取控制超声速流道流向截面面积变化的流向截面控制方案，基于流向截面控制方案和中心体型面，拟合出外壁的外壁型面；

S5.获取中心体型面的偏心控制方案，基于偏心控制方案对中心体型面进行偏心调整，以生成超声速流道。

结合图2、图3和图4所示，根据本发明的一种实施方式，步骤S1中，超声速流道的流道入口形状、入口尺寸参数、流道出口形状和出口尺寸参数均采用预先根据所要对接的结构提取获得，其中，流道入口形状为圆形，流道出口形状采用圆环形。其中，入口尺寸参数即为流道入口的半径或直径，出口尺寸参数即为流道出口的半径或直径(包括中心体末端的半径或直径，以及外壁处于流道出口位置的半径或直径)。

结合图2、图3和图4所示，根据本发明的一种实施方式，步骤S2中，基于前述步骤所提取的流道入口形状和流道出口形状确定出超声速流道所采用的基本构型为包含中心体的超声速流道，为此，超声速流道的基本构型中则包括：整体呈锥形结构的中心体和用于包围中心体的外壁。在本实施方式中，由于中心体整体呈锥形，进而其前端为一个尖点，截面积近似为零，其末端为规则的圆形。如前所述，由于所提出的超声速流道的流道入口形状为圆形，流道出口形状为圆环形，进而用于包围中心体的外壁的外壁入口形状需要设置为与流道入口形状相一致，即圆形，而由于流道出口形状为圆环形，则相应的将外壁的外壁出口形状设置为圆形，进一步通过中心体末端与外壁出口的组合形成圆环形的流道出口。

根据本发明的一种实施方式，步骤S3中，沿超声速流道的流向方向，拟合出中心体的中心体型面的步骤中，包括：

S31.采用CST造型法沿超声速流道的流向方向构造出中心体的基础三维构型的数字模型；在本实施方式中，需要首先设定三维坐标系xyz，其中，x轴方向处于水平方向，且与超声速流道的流向方向相一致，y轴方向处于竖直方向，z轴方向垂直于x轴和y轴方向。进而，步骤S31进一步包括：

S311.获取用于生成中心体基本外形的第一类函数和用于修正中心体基本外形的形函数；

S312.沿超声速流道的流向方向，基于第一类函数和形函数描述中心体的剖面形状并生成一系列中心体的剖面；在本实施方式中，所获得的一系列剖面(即中心体剖面)中，每个剖面的形状沿流向方向的变化，产生相应的变化；其中，基于第一类函数和形函数描述中心体的剖面形状的步骤中，剖面形状表示为：

其中，

进一步的，在本实施方式中，中心体的任意一个剖面均可划分为上下两个部分，且剖面上下的两个部分采用相同类型的曲线构成(例如由类椭圆曲线构成)，则剖面形状简化为：

其中，N

S313.获取用于控制剖面在三维空间变化和分布的第二类函数，并基于第二类函数对剖面的空间变化和分布进行约束，以获得基础三维构型的数字模型。其中，通过采用第二类函数以用于实现在流向方向上对一系列剖面的位置确定，进而以达到无数个剖面构成完整三维构型的目的。

S32.获取控制基础三维构型的母线变化的母线变化控制方案；如图5所示，在本实施方式中，中心体的数字模型的三条母线的变化规律均可采用B样条曲线进行控制，为此，基于B样条曲线构建即可分别构建控制三条母线的变化规律，以形成母线变化控制方案；

S33.获取控制基础三维构型的横截面指数变化的横截面指数变化控制方案；在本实施方式中，如前所述，中心体剖面的横截面指数即为控制剖面上下两个部分的弧线的指数，分别表示为：N

S34.基于数字模型、母线变化控制方案和横截面指数变化控制方案，获得中心体的中心体型面；在本实施方式中，在母线变化控制方案中，基于中心体前端和末端的形状和尺寸参数，选择性的在母线的周围设置多个控制点(例如5个)以控制调整母线从流道入口至流道出口方向的沿程变化，从而实现在数字模型的基础上对沿程的中心体剖面的形状进行一次优化控制。在本实施方式中，由于中心体整体呈一锥形结构，以使得各条母线(即a(x)、b

需要说明的是，参见图3所示，母线b

如图7所示，根据本发明的一种实施方式，沿超声速流道的流向方向，中心体型面为径向逐渐变大的锥状型面；进而，步骤S4中，获取用于控制超声速流道的流向截面面积变化的流向截面控制方案的步骤中，流向截面控制方案包括：流向截面扩张子方案和流向截面缩小子方案；其中，

获取超声速流道的流向截面扩张比例，利用B样条曲线构建出流向截面扩张子方案；其中，如图8(a)所示，根据超声速流道的流向截面扩张比例，利用B样条曲线构建出流向截面扩张子方案，其中，可通过在控制线的周围多个控制点(例如5个)以控制调整扩张比例从流道入口至流道出口方向的沿程变化。

获取超声速流道的流向截面缩小比例，利用B样条曲线构建出流向截面缩小子方案。其中，如图8(b)所示，根据超声速流道的流向截面缩小比例，利用B样条曲线构建出流向截面缩小子方案，其中，可通过在控制线的周围设置多个控制点(例如5个)以控制调整扩张比例从流道入口至流道出口方向的沿程变化。

根据本发明的一种实施方式，步骤S4中，获取控制超声速流道流向截面面积变化的流向截面控制方案，基于流向截面控制方案和中心体型面，拟合出外壁的外壁型面；在本实施方式中，在前述步骤中已经获取相应的中心体型面的情况下，进一步采用流向截面控制方案中的流向截面扩张子方案或流向截面缩小子方案即可沿流向方向根据中心体型面的一系列剖面逐一的拟合出相应的外壁型面剖面，进一步基于所获得的一系列外壁型面剖面即可拟合出完整的外壁型面。在本实施方式中，外壁型面为轴对称的旋成型面；其中，在拟合出外壁型面的过程中，可进一步基于外壁型面的剖面半径的分布规律对其进行描述，进而，外壁型面的剖面半径表示为：

其中，R(i)表示外壁型面的剖面半径，R

结合图9和图10所示，根据本发明的一种实施方式，步骤S5中，获取中心体型面的偏心控制方案，基于偏心控制方案对中心体型面进行偏心控制，以获取超声速流道的步骤中，包括：

基于B样条曲线构建用于调整中心体型面中剖面位置的偏心控制方案；在本实施方式中，对中心体和外壁面，中心体的末端相对于外壁面的出口不偏心，进而基于上述要求对中心体型面中剖面位置的偏心变化规律进行构建。其中，可通过在控制线周围设置的多个控制点(例如5个)以控制偏心参数控制线，从而实现从流道入口至流道出口方向的沿程变化控制。

基于偏心控制方案调整中心体型面中剖面坐标相对外壁型面中剖面坐标的偏置距离，以确定出中心体型面和外壁型面并获得超声速流道；其中，对于中心体型面的剖面，其偏置的坐标表示为：

y

y

其中，x

根据本发明的一种实施方式，本发明的一种采用前述的圆形转环形超声速流道设计方法所生成的流道，包括：中心体和外壁。在本实施方式中，中心体处于外壁内部；其中，沿超声速流道的流向方向，在外壁的前端与中心体之间构成圆形的流道入口，外壁的后端与中心体之间构成环形的流道出口。

为进一步说明本方案，基于本发明的设计方法对圆形转环形超声速流道进行设计。

在本实施方式中，针对某非均匀的圆形管道超声速流动，通过所设计的圆形转环形超声速流道，将流动转化成均匀的环形超声速流动。

针对不同的入口条件开展了CFD计算，结果表明：(a)环形出口处气体的总压恢复系数高、马赫数高、均匀性好；(b)融合了本发明设计的超声速内流道抗反压性能强；(c)融合了本发明设计的隔离段的内流道阻力小。具体参数如表1所示。

表1

上述内容仅为本发明的具体方案的例子，对于其中未详尽描述的设备和结构，应当理解为采取本领域已有的通用设备及通用方法来予以实施。

以上所述仅为本发明的一个方案而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。