基于三维弯曲流面法的复杂曲面激波乘波体反设计方法

本发明涉及临近空间高超声速乘波体，尤其是涉及一种基于三维弯曲流面法的复杂曲面激波乘波体反设计方法。

背景技术：

1、

2、虽然在高超声速乘波体研究领域，各项研究已经取得了显著的进展，部件性能也在不断提升。然而，迄今为止，即使吻切乘波体也仍旧采用轴对称基准流场，进而利用流线追踪技术获得对应型面。但是基于轴对称基准流场得到的三维乘波体不存在横向流动，仅有流向流动。研究表明，在吻切锥乘波体案例中，横向压力梯度的影响是不可忽略的(chauffour,m.l.,andlewis,m.j.,“corrected waveriderdesignfor inletapplications,”40th aiaa/asme/sae/asee joint propulsion conferenceandexhibit,aiaa,fort lauderdale,florida,2004,p.3405.doi:10.2514/6.2004-3405.)。特别是将高超音速入口与吻切锥乘波体前体结合时，这种效果变得至关重要。由横向压力梯度引起的不均匀流场大大降低推进系统的性能。

3、为了解决这个问题，lewis(lewis,m.j.,andchauffour,m.l.,“shock-basedwaverider design with pressuregradient corrections and computationalsimulations,”journal of aircraft,vol.42,no.5,2005,pp.1350-1352.doi:10.2514/1.13027.)引入横向压力梯度的修正来生生成了更精确的乘波体压缩型面。然而，研究表明横向压力修正对几何形状产生修改较小，并不能完全补偿横向压力梯度。而横向流动对飞行器性能提升有至关重要的作用。与此同时，科研人员普遍采用传统特征线法进行基准流场反设计，不仅编程复杂，而且稳定性差，限制了基本流场选择范围，进而减小乘波体的几何构造范围。

4、由此可见，目前制约高超声速乘波体性能的问题之一是缺乏一种基于三维弯曲流面法的复杂曲面激波乘波体反设计方法。

技术实现思路

1、本发明的目的旨在针对上述现有技术存在的不足，提供一种基于三维弯曲流面法的复杂曲面激波乘波体反设计方法。实现对带有横向流动的复杂流场的精确快速求解，并将其应用于复杂曲面激波流场求解进而设计出高性能乘波体，通过横向流动带来的横向涡获得气动性能更好的乘波体。

2、本发明得到基于三维弯曲流面法的复杂曲面激波乘波体方案设有复杂曲面激波乘波体；所述复杂曲面激波乘波体为带横向流动的曲面乘波体，通过考虑三维情况下的横向流动产生横向涡来提高升力并降低阻力，以提高飞行器性能；所述复杂曲面激波乘波体设有复杂曲面激波乘波体下表面压缩型面、复杂曲面激波乘波体上表面型面、复杂曲面激波乘波体前缘型线；复杂曲面激波乘波体下表面型面与复杂曲面激波乘波体上表面由复杂曲面激波乘波体前缘型线进行过渡。

3、本发明包括以下步骤：

4、1)根据设计要求指定复杂曲面三维外流激波，复杂曲面三维外流激波采用参数曲面或贝塞尔曲面等非轴对称曲面函数指定；

5、2)在复杂激波曲面中设计乘波体捕获型线，型线采用参数曲线在激波表面形成符合设计需求的前缘形状，在初始的复杂激波曲面中分割出需要的流场的部分；

6、3)将复杂曲面激波沿激波面的速度分量方向离散为一系列初始流面，根据复杂激波曲面外流激波法向量及来流方向，求解当地激波角，激波曲率以及波后参数，

7、4)利用波后的梯度信息确定出弯曲流面的形状，并在弯曲流面中利用来自一条流线和一条特征线三维流线坐标系欧拉方程求解对应的复杂激波曲面波后流场参数，从流场参数中提取流线信息，再将前缘型线发出的流线组合作为复杂激波曲面乘波体压缩型面；

8、5)以压缩型面为基础根据设计要求构造高超声速复杂曲面激波乘波体上表面几何形状；连接上下表面以构成完整的复杂曲面激波乘波体几何形状；

9、在步骤4)中，所述弯曲流面基于三维弯曲激波理论提供的梯度信息得到流面的弯曲程度。

10、本发明的优点在于：

11、1、本发明使用参数曲面和贝塞尔曲面等非轴对称曲面函数，可以根据实际需求灵活地指定复杂曲面三维外流激波，从而更好地满足设计需求，精确控制激波面和乘波体的形状和位置，从而提高计算精度和效率。本发明将复杂曲面激波沿激波面的速度分量方向离散为一系列初始流面，然后利用三维流线坐标系欧拉方程求解对应的复杂激波曲面波后流场，提高设计效率。通过反向设计激波面和乘波体，可以更好地满足设计要求，得到符合实际需求的激波乘波体。本发明采用三维弯曲流面法，可以更好地描述激波面的形状和特性，提高计算的稳定性和可靠性。本发明以压缩型面为基础，连接上下表面以构成完整的复杂曲面激波乘波体几何形状，从而得到完整的乘波体设计。

12、2、利用本方法生成的基于三维弯曲流面法的复杂曲面激波乘波体利用弯曲流面从理论上考虑复杂曲面乘波体无法忽视的横向流动来保障所设计出的复杂曲面激波乘波体与实际状况下相比拥有同样的高升阻比，并且实现已知复杂曲面激波的流场反设计。复杂曲面激波乘波体为带横向流动的曲面乘波体，通过考虑三维情况下的横向流动来产生横向涡来提高升力并降低阻力，提高飞行器性能。此外，三维弯曲流面法能充分利用利用梯度信息，相较于传统三维特征线法计算效率更高，精度更高，获得的基本流场不再局限于规则流场，通过更加自由的激波选择为飞行器设计提供更加广阔的性能提升空间。复杂曲面三维外流激波乘波体设计方法在实际应用中可以应用到多个工程领域，包括航空航天、汽车、生物医学等。

技术特征：

1.基于三维弯曲流面法的复杂曲面激波乘波体反设计方法，其特征在于包括以下步骤：

2.如权利要求1所述基于弯曲激波理论的全三维乘波体反设计方法，其特征在于在步骤(3)中，所述弯曲流面基于三维弯曲激波理论提供的梯度信息得到流面的弯曲程度。

3.如权利要求1所述基于弯曲激波理论的全三维乘波体反设计方法，其特征在于在步骤(3)中，在弯曲流面中利用三维流线坐标系欧拉方程求解对应的复杂激波曲面波后流场，将从前缘型线发出的流线组合作为复杂激波曲面乘波体压缩型面，具体方法：利用三维弯曲流面法求解对应的全三维外压缩基本流场；求解过程在不同弯曲流面内进行，根据复杂曲面激波上离散点激波角、激波曲率以及波后参数，利用弯曲流面法求解得到不同弯曲流面内复杂曲面激波乘波体前缘型线，将所有弯曲流面内压缩型线组合，得到对应的复杂曲面激波乘波体下表面压缩型面；弯曲流面中的弯曲流面法控制方程如下：

技术总结基于三维弯曲流面法的复杂曲面激波乘波体反设计方法，涉及高超声速乘波体。复杂曲面激波乘波体设有复杂曲面激波乘波体下表面压缩型面、复杂曲面激波乘波体上表面型面、复杂曲面激波乘波体前缘型线；复杂曲面激波乘波体下表面型面与复杂曲面激波乘波体上表面由复杂曲面激波乘波体前缘型线进行过渡。指定复杂曲面三维外流激波并设计乘波体捕获型线；将复杂曲面激波离散为一系列初始流面；求解激波角、激波曲率和波后参数；求解复杂激波曲面波后流场并确定压缩型面；根据设计要求构造乘波体上表面几何形状；连接上下表面以构成完整的复杂曲面激波乘波体几何形状。计算效率更高，精度更高，通过自由激波选择为飞行器设计提供更广阔的性能提升空间。技术研发人员：朱呈祥,杨凯,郑晓刚,尤延铖受保护的技术使用者：厦门大学技术研发日：技术公布日：2024/6/30