基于特征线追踪的超声速流场设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及空气动力学设计领域，特别地，涉及一种基于特征线追踪的超声速流 场设计方法。
【背景技术】
[0002] 高超声速飞行器进排气系统及相应实验设备的流场设计，是当前研究的热点与难 点问题，所设计流场品质的好坏直接影响发动机的燃烧效率进而影响飞行器的整体性能。
[0003] 现有的超声速流场设计方法有很多种，其中最典型是特征线方法（M0C，Method of Characteristics)和流线追踪方法。
[0004] 特征线方法步骤如下：
[0005] 1)、给定流道中心线上马赫数分布或速度分布以及相应边界条件；
[0006] 2)、假设流动是无粘的，基于特征线网格，结合质量守恒定律，设计满足要求的流 道构型；
[0007] 3)、对位流型面进行边界层修正，得到最终的粘流型面。
[0008] 流线追踪方法步骤如下：
[0009] 1)、在选定的流道入口上设置多个点，向下游进行流线追踪，得到相应流道构型；
[0010] 2)、在选定的流道出口上设置多个点，向上游进行流线追踪，进而得到另一个相应 流道构型；
[0011] 3)、将两个流道构型的相应流线坐标通过加权平均进行融合，然后就得到了期望 的流道构型。
[0012] 但特征线方法局限于二维超声速流场的设计，并且其无粘流场的假设及边界层修 正会给设计引入误差；流线追踪方法设计出的三维流道构型，其中间过渡截面的形状极其 复杂，不易于实际加工，很难确保加工精度。
【发明内容】
[0013] 本发明提供了一种基于特征线追踪的超声速流场设计方法，从流动基本特征出 发，以解决现有的超声速流场设计需边界层修正引入误差或者过渡界面形状复杂不易加工 或方法局限于某一类工况的技术问题。
[0014] 本发明采用的技术方案如下：
[0015] -种基于特征线追踪的超声速流场设计方法，包括：
[0016] 设定超声速流场中某一条流线上的马赫数分布，并给定初始流道构型，计算初始 流道构型内的流场；
[0017] 选定壁面上一点作为起始点，在计算得到的流场内部从起始点追踪特征线并与预 设流线相交，插值求出该相交点实际马赫数，并与理想马赫数比较，根据残差修正思想，不 断调整壁面构型以减小该相交点实际马赫数与理想马赫数的差值；
[0018] 当差值达到预设阈值，固定壁面上起始点的上游流道构型，并按预定步长步进到 下一壁面点；
[0019] 重复执行上述步骤，直至得到预设超声速流场。
[0020] 进一步地，特征线的追踪基于超声速流场计算网格实现，任意一条特征线与每个 网格层都存在交点，以第i层上点A 1S起始点，沿来流流向的下游追踪相应特征线A A。，通 过插值得到点A1的坐标及参数，并根据沿流线的特征线方程和沿马赫线的特征线方程依次 求解在第i-Ι层上的交点A 1 i、第i-2层上的交点A1 2、……A。，进而得到完整的特征线 AiA0O
[0021] 对于粘流下设计的超声速流场，流场的边界层内包含亚声速区域和超声速区域， 假定特征线在亚声速区域内走向垂直于壁面，特征线在超声速区域内的追踪方法基于超声 速流场网格实现。
[0022] 进一步地，超声速流场包括但不限于喷管、进气道、转弯流道。
[0023] 本发明具有以下有益效果：
[0024] 本发明基于特征线追踪的超声速流场设计方法，不受二维三维、有粘无粘的设计 约束，且无需传统的边界层修正，在三维超声速流场设计中，根据流场的几何特性给出参考 平面的定义，减少计算量，所设计的流道的截面形状已知，易于降低加工难度，提高加工精 度，且该方法设计的流道内的等马赫线/面分布均匀，无明显的膨胀波系和压缩波系，中心 线上马赫数分布与理想马赫数分布吻合较好，流场品质高。此外，该方法有效利用了 CFD求 解器强大的计算功能，所选用斯坦福大学开发的SU2程序不仅可以用于计算内流或外流流 场，还可以同时考虑变加热比、化学反应等因素对流动的影响，使设计更加完善。
[0025] 除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。 下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
【附图说明】
[0026] 构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实 施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
[0027] 图1是本发明优选实施例基于特征线追踪的超声速流场设计方法的流程示意图；
[0028] 图2是本发明优选实施例超声速流场中特征线的结构示意图；
[0029] 图3是本发明优选实施例超声速流场中基于网格的特征线追踪的结构示意图；
[0030] 图4是本发明优选实施例粘流设计中边界层内的特征线追踪的结构示意图；
[0031] 图5是本发明优选实施例位流下设计得到的二维喷管构型及等马赫线分布示意 图；
[0032] 图6本发明优选实施例粘流下设计得到的二维喷管构型及等马赫线分布示意图；
[0033] 图7是本发明优选实施例位流下设计所得喷管中心线上计算马赫数分布与理想 马赫数分布的比较示意图；
[0034] 图8是本发明优选实施例粘流下设计所得喷管中心线上计算马赫数分布与理想 马赫数分布的比较示意图；
[0035] 图9是本发明优选实施例位流下设计所得方转圆流道中心线上计算马赫数分布 与理想马赫数分布的比较示意图；
[0036] 图10是本发明优选实施例粘流下设计所得方转圆流道中心线上计算马赫数分布 与理想马赫数分布的比较示意图。
【具体实施方式】
[0037] 以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定 和覆盖的多种不同方式实施。
[0038] 参照图1，本发明的优选实施例提供了一种基于特征线追踪的超声速流场设计方 法，包括：
[0039] 步骤S10,设定超声速流场中某一流线上的马赫数分布，并给定初始流道构型，计 算初始流道构型内的流场；
[0040] 步骤S20,选定壁面上一点作为起始点，在计算得到的流场内部从起始点追踪特征 线并与预设流线（即步骤SlO中设定的流线）相交，插值求出该相交点实际马赫数，并与理 想马赫数比较，根据残差修正思想（残差量指马赫数理想值与实际值的差值，修正量指壁 面形状），不断调整壁面构型以减小该相交点实际马赫数与理想马赫数的差值；
[0041] 步骤S30,当差值达到预设阈值，固定壁面上起始点的上游流道构型，并按预定步 长步进到下一壁面点；
[0042] 重复执行上述步骤SlO至步骤S30,直至得到预设超声速流场。
[0043] 根据超声速流场的本质特征可知，物理扰动在以扰动源为顶点、以气流速度方向 为轴线的后向马赫锥内传播。经过超声速流场内任意一点都存在三条马赫线，即特征线，其 中，左右行特征线向流动上游延伸与壁面相交形成该点流动参数的依赖域，如图2所示，C +、 C分别与壁面交于点Q和P，O-P-Q形成了点0流动参数的依赖域，当经过PQ的来流条件 已知时，0点的流动参数则仅取决于P和Q的位置，以P点为例，当包含点P在内的上游流 道构型发生变化时，所产生的膨胀波或压缩波会沿着特征线C传播，并影响点0流动参数。 因此，如果给定壁面调整方案，就能实现对点0流动参数的设计。
[0044] 作为一种较佳的方式，本实施例中，按照Sivells预设流道中心线上马赫数分布 进而设计流道构型的方法，预先给定超声速流场中