旋转爆震发动机隔离段设计方法

本发明涉及喷气推进装置，尤其是涉及一种旋转爆震发动机隔离段设计方法。

背景技术：

1、隔离段是旋转爆震发动机的一个重要部件，隔离段内存在多道激波组成的激波串，其作用有两个，一是防止燃烧室内的压力前传影响进气道工作，二是将来流进一步压缩，增加来流压力以满足燃烧室对气流的要求。

2、若隔离段长度过短，燃烧室产生的高反压迫使激波串进入进气道，影响进气道正常工作；若隔离段过长，虽然能够保证下游燃烧高反压不影响进气道工作，但粘性损失太大，影响发动机推力性能。同时，在冷流状态下，隔离段总压损失要尽可能小，从而提高发动机性能。然而，现有技术中缺少对隔离段设计的技术指导，无法保证旋转爆震发动机的工作性能。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种旋转爆震发动机隔离段设计方法，以实现对旋转爆震发动机隔离段的合理设计，提高旋转爆震发动机的工作性能。

2、第一方面，本发明提供的旋转爆震发动机隔离段设计方法，包括以下步骤：

3、根据进气道喉道气流参数，确定隔离段入口气流参数；

4、采用爆震理论模型，计算爆震波传播参数，并计算燃气比热比和燃烧室平均压力；

5、设定隔离段中线长度初值；

6、确定隔离段中线参数分布，采用特征线方法求解隔离段外环壁面和内环壁面，并求解外环壁面和内环壁面的边界层动量损失厚度；

7、迭代求解得到隔离段中线理论长度。

8、结合第一方面，本发明提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，所述根据进气道喉道气流参数，确定隔离段入口气流参数的步骤包括：

9、根据公式，计算隔离段总压；

10、根据公式，计算隔离段总温；

11、根据公式，计算隔离段滞止密度；

12、其中，为隔离段入口的马赫数，为隔离段入口的静压，为隔离段入口的静温，为空气的比热比，为空气的气体常数。

13、结合第一方面的第一种可能的实施方式，本发明提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，所述根据进气道喉道气流参数，确定隔离段入口气流参数的步骤还包括：

14、根据公式，计算隔离段入口气流的声速；

15、根据公式，计算隔离段入口气流的马赫角；

16、根据公式，计算隔离段入口气流的速度；

17、根据公式，计算隔离段入口气流的轴向速度；

18、根据公式，计算隔离段入口气流的径向速度；

19、其中，为隔离段入口气流的流动方向角，。

20、结合第一方面，本发明提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，所述采用爆震理论模型，计算爆震波传播参数，并计算燃气比热比和燃烧室平均压力的步骤包括：

21、根据公式，计算爆震波的传播马赫数，其中，为燃烧室新鲜混合气的比热比，为无量纲吸热量，，为单位质量混合气的燃烧吸热量，为燃烧室新鲜混合气的静温，为定压比热；

22、根据公式，计算旋转爆震波的传播速度，为燃烧室新鲜混合气的气体常数；

23、给定爆震波后燃气的比热比初值，根据公式，计算爆震波前后气流的平均比热比；

24、根据公式，计算旋转爆震波后燃气温度；

25、根据公式，计算组分在燃气中的质量占比，其中，和为组分序号，取值为1～5的自然数，，为组分的质量流量，为氮气、氧气、二氧化碳、水蒸气和煤油蒸气五种组分的质量流量之和；

26、根据公式，计算燃气的质量平均气体常数，为组分的气体常数；

27、根据公式，计算燃气质量平均的定压比热，其中，，为组分的定压比热，i为1～5的自然数，、、、和皆为系数；

28、根据公式，计算燃气比热比，其中，，为平均定容比热；

29、根据公式，计算燃烧室平均压力，为进入燃烧室新鲜混合气的流量，为燃烧室的横截面积。

30、结合第一方面的第三种可能的实施方式，本发明提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，所述采用爆震理论模型，计算爆震波传播参数，并计算燃气比热比和燃烧室平均压力的还步骤包括：

31、根据公式，计算燃气比热比的收敛残差；

32、若，则将赋值于；

33、若，则结束对燃气比热比的迭代计算。

34、结合第一方面，本发明提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中，所述旋转爆震发动机隔离段设计方法包括：设定隔离段轴向半剖视图入口端线段ce为竖直线，隔离段中线ab为自入口端指向出口端的水平直线，隔离段中线ab上的气流流动角为0；

35、所述设定隔离段中线长度初值的步骤包括：设定隔离段中线ab的长度初值，其中，为隔离段的水力直径。

36、结合第一方面的第五种可能的实施方式，本发明提供了第一方面的第六种可能的实施方式，其中，所述确定隔离段中线参数分布的步骤包括：

37、根据公式，计算隔离段出口静温；根据公式，计算隔离段出口静压；其中，为根据燃烧室进气要求设定的隔离段出口马赫数，为隔离段总温，为隔离段总压；

38、给定隔离段中线沿程压力，为隔离段入口的静压，为隔离段中线的轴向坐标，为a点与线段ce的距离；

39、根据公式，计算隔离段中线沿程马赫数，其中，为空气的比热比，为隔离段总压；

40、根据公式，计算隔离段中线沿程静温，为隔离段总温；

41、根据公式，计算隔离段中线沿程马赫角；

42、根据公式，计算隔离段中线沿程声速，为空气的气体常数；

43、根据公式，计算隔离段中线沿程速度，为隔离段入口的马赫数；

44、根据公式，计算隔离段中线轴向速度。

45、结合第一方面的第五种可能的实施方式，本发明提供了第一方面的第七种可能的实施方式，其中，所述采用特征线方法求解隔离段外环壁面和内环壁面，并求解外环壁面和内环壁面的边界层动量损失厚度的步骤包括：

46、由边界线ac和中心线ab，求解特征线方程和相容性方程，以确定隔离段外环壁面曲线cd；

47、由边界线ae和中心线ab，求解特征线方程和相容性方程，以确定隔离段内环壁面曲线ef；

48、其中，为横向坐标，为径向坐标，为轴向速度，为径向速度，为流动方向角，为马赫数角，为当地声速，符号±在取+时则方程中符号±皆为+，符号±在取-时则方程中符号±皆为-；

49、根据公式，计算外环壁面气流的速度，为外环壁面气流的轴向速度，为外环壁面气流的径向速度；

50、根据公式，计算外环壁面气流的马赫数，为声速；

51、根据公式，计算外环壁面气流的静温，为空气的比热比，为隔离段总温；

52、根据公式，计算外环壁面气流的密度，为隔离段滞止密度；

53、根据公式，计算外环壁面气流的流动角；

54、根据公式，计算粘性系数，k，为一个大气压下时气体的动力学粘性系数，为常数；

55、根据公式，计算参考温度，为绝热壁温，，为普朗特数，为当地温度；

56、根据公式，计算可压缩流的摩擦系数，为不可压缩流的摩擦系数，，为参考温度下的动力粘性系数，为雷诺数，，为外环壁面曲线cd上的轴向坐标；

57、根据公式，计算形状因子；

58、求解常微分方程，得到外环壁面出口处的边界层动量损失厚度，为外环壁面曲线cd上的径向坐标。

59、结合第一方面的第七种可能的实施方式，本发明提供了第一方面的第八种可能的实施方式，其中，所述迭代求解得到隔离段中线理论长度的步骤包括：

60、根据公式，计算隔离段中线长度迭代值，其中，，为内环壁面出口处的动量损失厚度，为隔离段入口的马赫数，为基于动量损失厚度的雷诺数，为隔离段的水力直径，为燃烧室平均压力，为隔离段入口的静压；

61、将赋值于，重新确定隔离段中线参数分布，采用特征线方法求解隔离段外环壁面和内环壁面，求解外环壁面和内环壁面的边界层动量损失厚度，并计算隔离段中线长度迭代值，直至，。

62、结合第一方面的第七种可能的实施方式，本发明提供了第一方面的第九种可能的实施方式，其中，所述旋转爆震发动机隔离段设计方法还包括：

63、将隔离段外环壁面曲线cd延长至g点，将隔离段内环壁面曲线ef延长至h点，并使g点与h点连线沿隔离段径向延伸，且线段fh的长度为线段ce长度的0.1～0.2倍；

64、以g点作为隔离段外环壁面出口端的边界点，以h点作为隔离段内环壁面出口端的边界点。

65、本发明实施例带来了以下有益效果：根据进气道喉道气流参数确定隔离段入口气流参数，采用爆震理论模型计算爆震波传播参数，并计算燃气比热比和燃烧室平均压力，通过设定隔离段中线长度初值的方式，确定隔离段中线参数分布，采用特征线方法求解隔离段外环壁面和内环壁面，并求解外环壁面和内环壁面的边界层动量损失厚度，进而迭代求解得到隔离段中线理论长度，实现了隔离段的合理化设计，可以确保激波串不被推出隔离段、激波串头部位于隔离段入口附近，进而保证进气道正常工作，可使旋转爆震发动机整机推力性能达到最优。还可以避免冷流状态下隔离段强激波的出现，减小了隔离段的冷流损失，提高了发动机性能。

66、为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。