一种模拟边界层泄流与亚声速外流耦合的实验台设计方法

技术特征：
1.一种模拟边界层泄流与亚声速外流耦合作用的实验台设计方法，其特征在于，包括以下步骤：(1).设置两路管道，根据实验模型确定两路管道基本构型；每路管道均包括依次延伸的入口段、整流段、收缩段、边界层发展段、试验段、转接段；(2).为使试验段入口上游流场发展一致，两路管道试验段入口截面上游管道几何尺寸一致；(3).根据实验室已有真空气源抽吸能力、实验时长以及试验段马赫数确定管道喉道面积；(4).将喉道形状与尺寸确定后，在保证两路管道互不相干的约束条件下，确定实验台入口段、整流段和收缩段几何形状与尺寸；入口段曲线方程为：ρ2＝a2cos(2θ)其中，ρ为曲线在极坐标系中的半径，θ为曲线在极坐标系中的角度，a为曲线特征参数，点a与点b为当θ取值范围为(7π)/8～(5π)/4时曲线的端点；入口段bc段曲线方程为：y＝-1
×
10-5
x
5-4
×
10-7
x
4-0.0005x
3-0.3628x
2-121.79x-15871x∈[-872.4,-577.0]其中，x为流向坐标，y为法向坐标，下同；当x＝-872.4、x＝-577.0时，由bc段曲线方程确定点b、c法向坐标y值；整流段为平直段，收缩段de段曲线方程为：y＝-1.447
×
10-9
x
7-4.32
×
10-6
x
6-5.522
×
10-3
x
5-3.919x
4-1668x
3-4.257
×
105x
2-6.032
×
107x-3.662
×
109x∈[-459,-400]；当x＝-459、x＝-400时，由de段曲线方程确定点d、e法向坐标y值，由此得到入口段、整流段和收缩段对称面上壁面型线；(5).步骤(4)将各段曲线函数确定后，将收缩段de曲线以喉道截面轮廓线为引导线进行扫掠形成管道曲面，由此得到收缩段对称面下壁面型线lm；(6).以步骤(5)得到的收缩段入口轮廓为基准，沿曲线dcb进行扫掠，随后以扫掠得到的管道终截面轮廓为基准，a
⌒
b沿此终截面进行扫掠，最终得到入口段和整流段型面，进而得到入口段和整流段对称面下壁面型线ijkl；(7).为消除壁面黏性效应的影响，调整边界层发展段上壁面沿流向扩张角以保证主流区域内流向马赫数分布一致，根据实验具体要求设置边界层发展段沿流向长度，由此得到边界层发展段对称面型线，边界层发展段对称面型线为上壁面型线ef及下壁面型线mn，随后以喉道截面轮廓为基准，沿边界层发展段对称面型线进行扫掠，得到边界层发展段管道型面；(8).两路管道中，部分气流经过实验模型从一路管道流入另一路管道，因此实验模型入口下游一路管道气流流量有所减小，另一路管道试验段出口流量有所增加；根据上述流量变化规律，对实验模型入口下游一路管道试验段进行型面迭代优化设计；(9).另一路管道试验段有流量注入，且管道内流动为亚声速流动，因此为避免对实验模型出口上游流场产生影响，该另一路管道试验段上壁面在某点x'处增大上壁面扩张角度，在另一路管道试验段与实验模型出口相交的下游某点y'处壁面扩张角转为0.3
°
，随后在点x'和点y'处对上壁面进行倒圆处理；上壁面倒圆处理后，在实验模型出口上游1.33h处扩张角由0.3
°
逐渐增大至5
°
，在点p1'处扩张角逐渐由5
°
减小至0.3
°
，点w'下游壁面扩张角
保持为0.3
°
，p1'为点p'沿-z方向在上壁面的投影；(10).将边界层发展段出口截面轮廓线以步骤(8)和(9)得到的试验段对称面型线为引导线进行扫掠，得到试验段型面；试验段对称面型线为上壁面型线fg/f'g'及下壁面型线nq/n'q'；转接段型面根据试验段出口截面gq(g'q')光滑过渡至流量调节阀入口截面st(s't')得到，转接段扩张角不大于8
°
；最终得到实验台两路管道型面。2.根据权利要求1所述的实验台设计方法，其特征在于：实验台入口来流条件为当地大气环境，由试验段下游真空气源提供负压条件，驱动气流在试验段达到实验所要求的速度。3.根据权利要求1所述的实验台设计方法，其特征在于：实验台实验时长、试验段尺寸和试验段气流马赫数受真空气源能力决定。4.根据权利要求1所述的实验台设计方法，其特征在于：实验台整流段长度不小于2倍收缩段出口高度，收缩段收缩比不小于5。5.根据权利要求1所述的实验台设计方法，其特征在于：试验段型面在保证与试验段上下游型面光滑过渡的条件下根据具体实验模型进行更换。6.根据权利要求1至5中任一项所述的实验台设计方法，其特征在于：另一路管道试验段上壁面在点x'处增大上壁面扩张角度至5
°
。

技术总结
本发明提出了一种模拟边界层泄流与亚声速外流耦合的实验台设计方法。本发明通过设计两路入口互不相干、试验段具有强耦合作用的管道，分别模拟边界层泄流与亚声速外流，通过调整实验台边界层发展段流道型面构型或调整实验台出口压力，可以模拟不同来流边界层厚度以及不同来流马赫数条件下边界层泄流与亚声速外流耦合作用的流动机理。本设计方法设计出的亚声速实验台结构简单，试验段入口流动参数均匀，能够在保证经济性的前提下准确模拟出亚声速流场，为开展边界层泄流与亚声速外流耦合机理研究提供了一种切实可行的实验台设计方法。理研究提供了一种切实可行的实验台设计方法。理研究提供了一种切实可行的实验台设计方法。


技术研发人员：谭慧俊 唐学斌 黄河峡 汪昆 秦源 李灿民 李方波 谢景斌
受保护的技术使用者：南京航空航天大学
技术研发日：2022.06.14
技术公布日：2022/9/2