一种基于声速解和特征线逆推的喷管设计方法与流程

技术特征：
1.一种基于声速解和特征线逆推的喷管设计方法，其特征在于，所述方法包括：步骤1：生成多个马赫数下的喷管初始型面；步骤2：基于喷管初始型面，获得喷管的关键控制点信息，基于关键控制点信息获得喷管的特征线关系图；步骤3：基于所述特征线关系图和喷管喉道声速近似解，计算获得喷管喉部声速线参数信息和喷管固壁边界；步骤4：基于喷管喉部声速线参数信息和喷管固壁边界进行特征线推进，获得喷管初始膨胀区的下游边界信息；步骤5：基于喷管初始膨胀区的下游边界信息进行特征线推进，获得喷管转折推进区的下游边界信息；步骤6：基于贝塞尔曲线获得喷管转折推进区轴线终点至喷管特征线逆推区轴线终点之间的马赫数分布信息，基于所述马赫数分布信息和所述喷管转折推进区的下游边界信息，获得喷管最大转折点至喷管特征线逆推区型面终点之间的第一喷管型面坐标信息，以及获得喷管特征线逆推区型面终点至喷管特征线逆推区轴线终点之间出口边界的位置信息和参数分布信息；步骤7：基于喷管特征线逆推区壁面终点至喷管特征线逆推区轴线终点之间出口边界以及喷管特征线逆推区轴线终点至喷管理论出口点之间的出口边界进行特征线推进，获得喷管特征线逆推区壁面终点至喷管理论出口点之间的第二型面坐标信息；步骤8：分别利用第一喷管型面坐标信息和第二型面坐标信息对喷管初始型面中对应的型面进行替换获得喷管最终型面。2.根据权利要求1所述的一种基于声速解和特征线逆推的喷管设计方法，其特征在于，所述步骤1具体为采用sivells方法生成各马赫数下的喷管初始型面。3.根据权利要求2所述的一种基于声速解和特征线逆推的喷管设计方法，其特征在于，所述步骤1包括：从喷管喉道至喷管最大转折点，使用多项式确定喷管型面，通过型面计算可确定喷管最大转折点和喷管理论出口点位置，通过马赫角关系计算得到特征线逆推区轴线终点的位置。4.根据权利要求1所述的一种基于声速解和特征线逆推的喷管设计方法，其特征在于，在所述特征线关系图中，o点为喷管喉道坐标点，i点为起始点，h点为初始膨胀区壁面起点，a点为喷管最大转折点，v点为初始膨胀区轴线终点，s点为转折推进区轴线终点，w点为特征线逆推区壁面终点，t点为特征线逆推区轴线终点，u点为喷管理论出口点；h点、i点、v点和a点作为区域hiva的4个顶点形成喷管初始膨胀区hiva，a点、v点和s点作为区域avs的3个顶点形成喷管转折推进区avs，a点、s点、w点和t点作为区域aswt的4个顶点形成喷管特征线逆推区aswt，w点、t点和u点作为区域wtu的4个顶点形成喷管反射波消波区wtu，其中，沿喷管轴线喷管初始膨胀区hiva、喷管转折推进区avs、喷管特征线逆推区aswt和喷管反射波消波区wtu依次分布。5.根据权利要求1所述的一种基于声速解和特征线逆推的喷管设计方法，其特征在于，喷管喉部声速线采用以下方程表示：
其中，、、和均为常数；其中，，为坐标原点，为起始线原点；其中，为喉道半高；起始线采用以下方程表示：其中，采用以下方程表示：其中，为喉部曲率半径。6.根据权利要求4所述的一种基于声速解和特征线逆推的喷管设计方法，其特征在于，所述步骤4包括：根据喉道声速近似解，计算出i点的位置，计算通过起始线oi的流量；确定一个等分n_hi，作为hi的离散点数，hi为i点的左伸特征线；预估h点的高度，计算得到等分高度dy，从i点开始，由左伸特征线方程计算下一点的位置和参数，结合喉道声速近似解推进，并计算每一推进步的流量积分，根据流量守恒，最终计算得到与固壁边界oa的交点h；据计算获得的h点位置，计算更新等分高度dy，计算入口边界hi上的离散点获得喉道初始边界；在区域hiva中，利用入口边界hi和喷管壁面条件oa，利用特征线方法进行推进计算获得av边界参数，av边界为区域hiva的出口边界。7.根据权利要求4所述的一种基于声速解和特征线逆推的喷管设计方法，其特征在于，所述步骤5包括：计算得到avs区域的所有离散点参数和坐标，as为a点的右行特征线，与喷管中心线相交于s点，计算得到在s点上的马赫数一阶和二阶导数。8.根据权利要求4所述的一种基于声速解和特征线逆推的喷管设计方法，其特征在于，所述步骤6基于5次贝塞尔曲线获得喷管转折推进区轴线终点至喷管特征线逆推区轴线终点之间的马赫数分布信息。9.根据权利要求4所述的一种基于声速解和特征线逆推的喷管设计方法，其特征在于，所述步骤7包括：通过边界wt参数和出口边界ut参数，通过特征线推进，利用质量守恒关系计算出型面wu坐标，边界ut为直线，边界ut线上气流参数均相同，计算每一层的流量积分方
式为利用总流量减去从t点沿tu方向到所在层位置的部分流量。10.根据权利要求9所述的一种基于声速解和特征线逆推的喷管设计方法，其特征在于，在完成每一层的推进计算后，均对本层的离散点进行重构。

技术总结
本发明公开了一种基于声速解和特征线逆推的喷管设计方法，涉及风洞设计领域，本方法采用喉道声速近似解，能够充分考虑喷管喉道处真实流动分布，取消了常规设计方法所引入的泉流假设，可为喷管消波区的特征线迭代以及波系结构控制提供真实流动条件；基于Beizer函数设定了轴向加速区的马赫数分布，实现了马赫数沿轴向单调上升，避免了压缩波集中产生于喷管轴线，并通过特征线线逆推方法，削弱了喷管菱形区过渡区的范围和强度，实现喷管流场均匀性的提升。提升。提升。


技术研发人员：彭强 秦红岗 易星佑 王宁 徐兵兵 高兴龙 李松
受保护的技术使用者：中国空气动力研究与发展中心设备设计与测试技术研究所
技术研发日：2022.10.21
技术公布日：2022/11/18