一种带侧偏距的二元喷管型面设计方法及二元喷管与流程

1.本发明属于飞行器排气系统设计技术领域，更具体地，涉及一种带侧偏距的二元喷管型面设计方法及二元喷管。


背景技术：

2.随着红外遥感探测技术的发展，红外制导导弹逐渐成为现代无人机的重要威胁之一，发展红外隐身技术已经成为提高现代无人机战场生存力的迫切需求。飞行器的红外辐射主要来自蒙皮和排气系统；在ma《2.0时，飞行器90％的红外辐射来自排气系统，且现役红外制导导弹导引头工作波段主要在3～5μm，因此，抑制飞行器在3～5μm波段的红外辐射对提高飞行器战场生存能力有着重要的意义。
3.飞行器尾喷流是排气系统的主要红外辐射源，由于其前、侧、后向可被探测范围宽，抑制其红外辐射是一项十分重要的课题。采用二元喷管是抑制排气系统红外辐射强度的一项重要措施。同时，二元喷管在推力矢量整合，降低红外和雷达截面特征信号和全寿命期成本等方面具有一定的优势。目前现役的隐身无人机基本上都采用了二元喷管(f-117、b-2、x-47b、rq-180)，二元喷管的红外辐射具有明显的非轴对称特点，窄边对应方向的红外辐射强度较小，宽边对应方向的红外辐射强度稍大，研究表明，二元喷管热喷流的辐射强度较圆喷管降低30％～50％。
4.目前，二元圆转方喷管型面设计方程分为曲率和超椭圆控制方程两大类，曲率控制方法多用于进气道型面设计，喷管型面采用超椭圆控制方程的居多，超椭圆设计方法包括横截面形状设计和横截面控制参数沿程变化规律，发无人机由于内部空间限制，涡轮端面和喷管出口截面往往存在纵向和侧向偏距，目前的设计方法可以实现纵向偏距，关于侧向偏距的设计方法还比较少见。
5.因此，期待发明一种二元喷管型面设计方法，能够弥补现有技术中二元喷管型面关于侧向偏距研究的不足。


技术实现要素：

6.本发明的目的是提出一种二元喷管型面设计方法，以弥补现有技术中二元喷管型面关于侧向偏距研究的不足。
7.为了实现上述目的，本发明提供一种带侧偏距的二元喷管型面设计方法，二元喷管的进口截面为圆形，出口截面为矩形，包括：
8.步骤1：获取所述二元喷管沿流向任一位置x的截面方程；
9.步骤2：根据所述位置x的截面方程，确定所述位置x的截面面积；
10.步骤3：获取二元喷管初始设计参数，并基于所述二元喷管初始设计参数，分别计算截面控制参数沿流向变化规律、截面控制参数沿侧向变化规律和截面控制参数沿纵向变化规律；
11.步骤4：基于所述截面控制参数沿流向变化规律、所述截面控制参数沿侧向变化规
律和所述截面控制参数沿纵向变化规律，确定所述二元喷管的中心线；
12.步骤5：基于所述位置x的截面面积和所述二元喷管的中心线，得到二元喷管型面。
13.可选地，所述二元喷管沿流向任一位置x的截面为超椭圆，所述截面方程为
[0014][0015]
其中，y和z为所述截面上任一点的坐标，a为所述截面的长轴半径，b为所述截面的短轴半径，η为所述截面的可变指数。
[0016]
可选地，所述截面面积为
[0017][0018]
其中，满足t》0；
[0019]
可选地，所述步骤3包括：
[0020]
获取二元喷管初始设计参数，所述初始设计参数包括沿流向进口截面坐标x0、进口截面面积s
in
、沿侧向进口截面坐标y0、沿纵向进口截面坐标z0、出口截面面积se和喷管长度l；
[0021]
基于所述进口截面面积s
in
，应用第一公式得到进口截面半径r
in
，并基于所述出口截面面积se，应用第二公式和第三公式分别得到出口截面宽度wd和出口截面高度h；
[0022]
基于所述二元喷管进口截面半径r
in
，确定进口截面控制参数p
in
，并基于所述出口截面宽度wd和所述出口截面高度h，确定出口截面控制参数pe；
[0023]
基于所述进口截面控制参数p
in
、所述出口截面控制参数pe、所述沿流向进口截面坐标x0、所述沿侧向进口截面坐标y0、所述沿纵向进口截面坐标z0和喷管长度l，分别计算所述截面控制参数沿流向变化规律p(x)、所述截面控制参数沿侧向变化规律p(y)和所述截面控制参数沿纵向变化规律p(z)。
[0024]
可选地，所述第一公式为：
[0025][0026]
所述第二公式为：
[0027][0028]
所述第三公式为：
[0029][0030]
其中，ηe为出口截面可变指数，ar为出口截面宽高比。
[0031]
可选地，所述截面控制参数沿流向变化规律为
[0032][0033]
所述截面控制参数沿侧向变化规律为
[0034][0035]
所述截面控制参数沿纵向变化规律为
[0036][0037]
其中，为截面相对位置(x-x0)/l的函数，为截面相对位置(y-y0)/l的函数，为截面相对位置(z-z0)/l的函数。
[0038]
可选地，分别设定i1＝(x-x0)/l、i2＝(y-y0)/l和i3＝(z-z0)/l，以及分别确定第一约束条件、第二约束条件和第三约束条件，所述第一约束条件为i1在0-1区间连续、和所述第二约束条件为为i2在0-1区间连续、和所述第三约束条件为i3在0-1区间连续、连续、和
[0039]
基于所述第一约束条件，将所述构造成五次多项式，基于所述第二约束条件，将所述构造成五次多项式，基于所述第三约束条件，将所述构造成五次多项式，其中，
[0040][0041][0042][0043]
其中，c
51
、c
41
、c
52
、c
42
、c
53
和c
43
为典型取值。
[0044]
一种带侧偏距的二元喷管，所述二元喷管的进口截面为圆形、出口截面为矩形，且所述二元喷管的侧偏距利用所述的带侧偏距的二元喷管型面设计方法算出。
[0045]
本发明的有益效果在于：
[0046]
本发明的二元喷管型面设计方法首先根据所述位置x的截面方程，确定所述位置x的截面面积，然后，基于获取的二元喷管初始设计参数，分别计算截面控制参数沿流向变化规律、截面控制参数沿侧向变化规律和截面控制参数沿纵向变化规律，并基于截面控制参数沿流向变化规律、截面控制参数沿侧向变化规律和截面控制参数沿纵向变化规律，确定二元喷管的中心线，最后基于位置x的截面面积和二元喷管的中心线得到二元喷管型面；本技术的二元喷管型面设计方法使得带侧偏距的喷管壁面受到侧向力减小，从而弥补了现有技术中二元喷管型面关于侧向偏距研究的不足。
[0047]
本发明的其它特征和优点将在随后具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
[0048]
通过结合附图对本发明示例性实施方式进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。
[0049]
图1示出了根据本发明的一个实施例的一种带侧偏距的二元喷管型面设计方法的流程图；
[0050]
图2示出了根据本发明的一个实施例的一种带侧偏距的二元喷管型面设计方法的喷管型面曲线族的结构示意图，连接光顺生成型面；
[0051]
图3示出了根据现有技术的二元喷管型面设计方法的喷管型面曲线族的结构示意图；
[0052]
图4示出了根据本发明的一个实施例的一种带侧偏距的二元喷管型面设计方法的二元喷管正三轴测图；
[0053]
图5示出了根据现有技术的二元喷管型面设计方法的喷管型面曲线族的二元喷管正三轴测图；
[0054]
图6示出了根据本发明的一个实施例的一种带侧偏距的二元喷管型面设计方法的二元喷管俯视图；
[0055]
图7示出了根据现有技术的二元喷管型面设计方法的喷管型面曲线族的二元喷管俯视图；
[0056]
图8示出了根据本发明的一个实施例的一种带侧偏距的二元喷管型面设计方法的二元喷管侧视图；
[0057]
图9示出了根据现有技术的二元喷管型面设计方法的喷管型面曲线族的二元喷管侧视图。
具体实施方式
[0058]
下面将更详细地描述本发明的优选实施方式。虽然以下描述了本发明的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。
[0059]
根据本发明的一种带侧偏距的二元喷管型面设计方法，二元喷管的进口截面为圆形，出口截面为矩形，包括：
[0060]
步骤1：获取二元喷管沿流向任一位置x的截面方程；
[0061]
步骤2：根据位置x的截面方程，确定位置x的截面面积；
[0062]
步骤3：获取二元喷管初始设计参数，并基于二元喷管初始设计参数，分别计算截面控制参数沿流向变化规律、截面控制参数沿侧向变化规律和截面控制参数沿纵向变化规律；
[0063]
步骤4：基于截面控制参数沿流向变化规律、截面控制参数沿侧向变化规律和截面控制参数沿纵向变化规律，确定二元喷管的中心线；
[0064]
步骤5：基于位置x的截面面积和二元喷管的中心线，得到二元喷管型面。
[0065]
具体地，本发明的二元喷管型面设计方法首先根据所述位置x的截面方程，确定所
述位置x的截面面积，然后，基于获取的二元喷管初始设计参数，分别计算截面控制参数沿流向变化规律、截面控制参数沿侧向变化规律和截面控制参数沿纵向变化规律，并基于截面控制参数沿流向变化规律、截面控制参数沿侧向变化规律和截面控制参数沿纵向变化规律，确定二元喷管的中心线，最后基于位置x的截面面积和二元喷管的中心线，计算得到二元喷管型面；本技术的二元喷管型面设计方法，弥补了现有技术中二元喷管型面关于侧向偏距研究的不足。
[0066]
进一步地，为了使采用基于超椭圆截面设计的二元收敛喷管具有高的气动性能，需要对喷管截面控制参数沿程变化规律进行设计和控制。
[0067]
假设喷管截面控制参数为p，参数p沿喷管轴向(x轴)的分布规律用函数p(x)表示，那么在进、出口截面控制参数值均已知的情况下(假设进口截面控制参数值为pin，出口截面控制参数值为pe)，参数p的沿程变化规律p(x)可表示为如下插值函数形式：
[0068][0069]
其中，为截面相对位置(x-x0)/l的函数，为截面相对位置(y-y0)/l的函数，为截面相对位置(z-z0)/l的函数。
[0070]
在给定喷管进、出口截面几何参数(进、出口截面积，出口宽高比等)和喷管长度的情况下，采用超椭圆描述二元收敛喷管的横截面形状，进、出口截面参数均是已知的。
[0071]
在一个示例中，二元喷管沿流向任一位置x的截面为超椭圆，截面方程为
[0072][0073]
其中，y和z为截面上任一点的坐标，a为截面的长轴半径，b为截面的短轴半径，η为截面的可变指数。
[0074]
在一个示例中，截面面积为
[0075][0076]
其中，满足t》0；
[0077]
具体地，γ为含参变量t的广义积分，gamma定义。
[0078]
在一个示例中，步骤3包括：
[0079]
获取二元喷管初始设计参数，初始设计参数包括沿流向进口截面坐标x0、进口截面面积s
in
、沿侧向进口截面坐标y0、沿纵向进口截面坐标z0、出口截面面积se和喷管长度l；
[0080]
基于进口截面面积s
in
，应用第一公式得到进口截面半径r
in
，并基于出口截面面积se，应用第二公式和第三公式分别得到出口截面宽度wd和出口截面高度h；
[0081]
基于二元喷管进口截面半径r
in
，确定进口截面控制参数p
in
，并基于出口截面宽度wd和所述出口截面高度h，确定出口截面控制参数pe；
[0082]
基于进口截面控制参数p
in
、出口截面控制参数pe、沿流向进口截面坐标x0、沿侧向
进口截面坐标y0、沿纵向进口截面坐标z0和喷管长度l，分别计算截面控制参数沿流向变化规律p(x)、截面控制参数沿侧向变化规律p(y)和截面控制参数沿纵向变化规律p(z)。
[0083]
在一个示例中，第一公式为：
[0084][0085]
第二公式为：
[0086][0087]
第三公式为：
[0088][0089]
其中，ηe为出口截面可变指数，ar为出口截面宽高比。
[0090]
在一个示例中，截面控制参数沿流向变化规律为
[0091][0092]
截面控制参数沿侧向变化规律为
[0093][0094]
截面控制参数沿纵向变化规律为
[0095][0096]
其中，为截面相对位置(x-x0)/l的函数，为截面相对位置(y-y0)/l的函数，为截面相对位置(z-z0)/l的函数。
[0097]
在一个示例中，分别设定i1＝(x-x0)/l、i2＝(y-y0)/l和i3＝(z-z0)/l，以及分别确定第一约束条件、第二约束条件和第三约束条件，第一约束条件为i1在0-1区间连续、和第二约束条件为为i2在0-1区间连续、和第三约束条件为i3在0-1区间连续、1区间连续、和
[0098]
基于第一约束条件，将构造成五次多项式，基于第二约束条件，将构造成五次多项式，基于第三约束条件，将构造成五次多项式，其中，
[0099][0100][0101][0102]
其中，c
51
、c
41
、c
52
、c
42
、c
53
和c
43
为典型取值。
[0103]
具体地，将构造成五次多项式，基于第二约束条件，将构造成五次多项式，基于第三约束条件，将构造成五次多项式，其中，
[0104][0105][0106][0107]
其中，c
51
、c
41
、c
52
、c
42
、c
53
和c
43
为典型取值，在实际操作中，可以取c
51
＝6，c
41
＝-15，c
52
＝-4,c
42
＝15，c
53
＝-4，c
43
＝5。
[0108]
一种带侧偏距的二元喷管，二元喷管的进口截面为圆形、出口截面为矩形，且二元喷管的侧偏距利用所述的带侧偏距的二元喷管型面设计方法算出。
[0109]
实施例1
[0110]
如图1所示，一种带侧偏距的二元喷管型面设计方法，二元喷管的进口截面为圆形，出口截面为矩形，包括：
[0111]
步骤1：获取二元喷管沿流向任一位置x的截面方程；
[0112]
步骤2：根据位置x的截面方程，确定位置x的截面面积；
[0113]
步骤3：获取二元喷管初始设计参数，并基于二元喷管初始设计参数，分别计算截面控制参数沿流向变化规律、截面控制参数沿侧向变化规律和截面控制参数沿纵向变化规律；
[0114]
步骤4：基于截面控制参数沿流向变化规律、截面控制参数沿侧向变化规律和截面控制参数沿纵向变化规律，确定二元喷管的中心线；
[0115]
步骤5：基于位置x的截面面积和二元喷管的中心线，得到二元喷管型面。
[0116]
具体实施方式为：
[0117]
图2示出了根据本发明的一个实施例的一种带侧偏距的二元喷管型面设计方法的喷管型面曲线族的结构示意图，连接光顺生成型面，图3示出了根据现有技术的二元喷管型面设计方法的喷管型面曲线族的结构示意图，图4示出了根据本发明的一个实施例的一种带侧偏距的二元喷管型面设计方法的二元喷管正三轴测图，图5示出了根据现有技术的二元喷管型面设计方法的喷管型面曲线族的二元喷管正三轴测图，图6示出了根据本发明的一个实施例的一种带侧偏距的二元喷管型面设计方法的二元喷管俯视图，图7示出了根据现有技术的二元喷管型面设计方法的喷管型面曲线族的二元喷管俯视图，图8示出了根据本发明的一个实施例的一种带侧偏距的二元喷管型面设计方法的二元喷管侧视图，图9示出了根据现有技术的二元喷管型面设计方法的喷管型面曲线族的二元喷管侧视图；通过将本发明的设计方法获得的二元喷管和现有技术的方法获得的二元喷管对比可知，相比于无侧偏距二元喷管，带侧偏距喷管壁面受到侧向力占总推力的13.5％，方向朝向外，喷管出口截面为超声速流动，采用对称双喷管布局，故存在两个朝外的力，需要加强发动机和喷管的安装节连接、固定，防止喷管外推。
[0118]
具体地，采用结构化网格计算，设定喷管入口为压力入口，出口为压力出口，绝热无滑移壁面，密度基求解器，空气组分为n2、o2、h2o、co2；以某巡航点设计为例，给定內、外涵道总温、总压，环境大气温度、压力；采用标准k-ωsst湍流模型，近壁区域采用标准壁面
函数处理，隐式求解，对流通项roe格式，流场二阶迎风精度。
[0119]
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。