(19)国家知识产权局 (12)发明 专利 (10)授权公告 号 (45)授权公告日 (21)申请 号 202210978168.4 (22)申请日 2022.08.16 (65)同一申请的已公布的文献号 申请公布号 CN 115048752 A (43)申请公布日 2022.09.13 (73)专利权人 中国航空工业 集团公司沈阳空气 动力研究所 地址 110000 辽宁省沈阳市皇姑区阳山路1 号 (72)发明人 崔晓春　张刃　李庆利　李兴龙　 (74)专利代理 机构 哈尔滨市伟晨专利代理事务 所(普通合伙) 23209 专利代理师 韩立岩 (51)Int.Cl. G06F 30/17(2020.01)G06F 30/20(2020.01) G06F 113/14(2020.01) 审查员 王先宝 (54)发明名称 一种跨超 声速风洞半柔 壁喷管设计方法 (57)摘要 一种跨超声速风洞半柔壁喷管设计方法， 属 于空气动力学风洞设计技术领域。 其包括首先确 定初始马赫 数的喷管型面和喉道 块型面； 假设无 粘型面转折点斜率， 计算无粘喷管型面， 使无粘 型面叠加附面层后的转折点与喉道块壁面转折 点的坐标、 斜率和曲率一致； 确定喉道处应有的 高度， 据此将喉道块沿着转折点切线方向平移， 转折点坐标不变， 喉道块平移所需的伸长量由柔 板长度补偿 。 转折点下游的喷管型面由剩余柔板 和固定型面的出口端板实现， 满足柔板长度和喷 管出口高度的约束条件。 其研发目的是为了解决 半柔壁喷管不仅能像全柔壁喷管一样保证型面 各处斜率和曲率连续， 还保证喉道 块型面适合不 同的马赫数的问题， 能够保证流场品质与全柔壁 喷管的流场品质一 致。 权利要求书4页 说明书14页 附图3页 CN 115048752 B 2022.11.01 CN 115048752 B 1.一种跨超声速风洞半柔 壁喷管设计方法， 其特 征在于， 包括： 步骤1： 给定喷管的基本几何参数， 设计喉道块型面； 给定喷管出口高度的目标值和喷管宽度； 喷管的柔板长度参考最大马赫数的全柔壁喷 管转折点后的型面长度确定； 以最小马赫数作为喉道块的设计马赫数， 即以此马赫数 的初 始膨胀区的型面作为喉道块的设计型面； 选择无粘型面的初始膨胀多项式曲线的幂系数n， 代入公式(1)得到无粘型面的初始膨 胀曲线： 式中， ht为无粘型面喉道处半高度， 喉道的坐标为(0， ht)， xa为无粘型面转折点A的横坐 标， θ a为转折角， 即无粘 型面转折点A处型面对喷管轴线的倾斜角； 假设无粘型面转折点A处 的流动为径向泉 流， 无粘型面转折点A的坐 标(xa， ya)按照一维管流流量守恒关系式给出， 表 达式如公式(2)： 式中， γ为空气的比热比， γ＝1.4， Ma为转折点当地的马赫数； 喉道到转 折点的附面层位移厚度通过3次多 项式近似表示： 式中， 是由Tucker法计算得到的无粘型面转折点A处的附面层位移 厚度， δ*为喉道到 转折点之间的附面层位移厚度， 是横坐标x的函数； 喷管无粘型面与附面层位移厚度根据公式(4)叠加得到喷管 型面沿程的坐标(X,Y)： 式中， x、 y为无粘型面 坐标， θ 为无粘型面的倾 斜角； 步骤2： 确定喉道块的旋转中心D的坐标(XD,YD)； 步骤3： 旋转喉道块， 在喷管坐标系中确定 旋转后的喉道块的坐标和曲率半径； 步骤4： 设计喉道块 区域内的无粘型面和附面层位移厚度， 使两者叠加得到的喷管型面 与喉道块型面在喉道块 转折点P的坐标趋 于一致； 给定无粘型面的初始膨胀多项式曲线的幂系数n＝3； 以设计型面的喉道附面层位移厚 度作为当前喉道处附面层位移厚度 δt的初值， 由公式(8)得到无粘型面的喉道半高度ht； ht＝(Yt‑δt)/(1+2·δt/W)    公式(8) 式中， W是喷管的宽度； 给定无粘型面转折点A的倾斜角的初始值θA， 初始值θA小于θP， 由公式(9)和公式(10)计 算无粘型面 转折点A的坐标为(XA,YA)；权　利　要　求　书 1/4 页 2 CN 115048752 B 2通过特征线法和Tucker附面层修正方法计算喉道处T和无粘型面转折点A的附面层位 移厚度 δt和 δA， 由此计算得到喉道块 转折点P的坐标(X'P,Y'P)： 检验计算在喉道块转折点P的坐标(XP,YP)与(X'P,Y'P)是否一致； 如不一致， 调整无粘型 面转折点的倾斜角 θA， 重复步骤4， 迭代计算直到两者一致为止； 在此过程中喉道处的附面 层位移厚度 δt逐渐收敛； 步骤5： 计算 柔板的型面， 使柔板与喉道块在喉道块 转折点P处的坐标一 致； 给定无粘型面出口高度hout的初值， 根据公式十三计算得到出口马赫数Mout的初始值； 通过特征线法和Tucker附面层修正方法计算柔板的无粘型面坐标、 喷管出口高度和出 口的附面层位移厚度； 采用新的无粘型面出 口高度作为初值进行迭代计算， 直到 喷管出口 目标高度与喷管 出口高度的计算 值的偏差缩小到 0.1mm以内； 使用三次曲线和直线拟合喉道到出口的附面层位移厚度， 再求出无粘型面转折点A 的 附面层位移厚度和斜率； 如果无粘型面转折点A处的附面层厚度和步骤4中的附面层位移厚 度δA不一致， 按照新的转折点附面层位移厚度， 回到步骤4重新计算喉道块转折点P的坐标 (X'P,Y'P)， 直到喉道块 转折点P的坐标(XP,YP)与(X'P,Y'P)基本一致； 步骤6： 喉道块绕喉道块 转折点P旋转， 喉道块和柔板在喉道块 转折点P处的斜 率一致； 步骤7： 喷管 出口高度计算和修 正； 步骤8： 针对每个马赫7数设计喉道块上游曲线， 采用曲率连续的分段多项式曲线组成， 采用5次曲线与直线的组合， 5次 曲线能够保证连接点处的坐标、 斜率和曲率连续， 直线在连 接点处曲率为零； 由于型线的长度不一致， 为补偿型线长度差量， 在喷管入口采用滑槽机构 形式； 滑槽绕喷管入口旋转， 变换马赫数时柔板在滑槽内伸缩； 滑槽内的柔板型线采用直 线。 2.根据权利要求1所述的一种跨超声速风洞半柔壁喷管设计方法， 其特征在于： 所述步 骤2包括： 喷管出口截面的中心点为坐标系原点(0,0)， 喷管喉道块的旋转中心D的坐标为(XD, YD)， 喉道块 转折点P的坐标为(XP,YP)， 喉道块 转折点P点的型面 倾斜角为θP； 旋转中心位于喷管出口 附近， 旋转中心到喷管轴线的距离YD是喷管出口高度Yout的1.5 ～2倍； 旋转中心D与喉道块转折点P的连线与喉道块转折点P点切线的夹角 αp的计算公式如 下：权　利　要　求　书 2/4 页 3 CN 115048752 B 3