本发明涉及风洞喷管，具体涉及一种基于初始膨胀段壁面马赫数分布的喷管短化设计方法。
背景技术：
1、风洞喷管可为风洞试验提供高品质超声速来流，其壁面型线的设计直接关系到风洞试验流场的品质，是整个风洞设计的关键。受粘性影响，超声速喷管壁面边界层的厚度随着长度的增加，在高马赫数工况下，甚至会达到出口半径的一半，对流场品质、结构重量和加工精度带来的较大影响；然而，过短的长度难以确保出口流场的均匀性。为此，需要发展相应的设计方法平衡风洞喷管短化和出口流场均匀性的问题。由气动原理可知，目前只能通过缩短喷管核心区长度实现这一目标。
2、传统风洞喷管设计方法包括直接设计膨胀段型线、使用源流区近似计算、圆弧加直线方法近似等。其中busemann是典型的直接设计膨胀段型线法，该方法根据经验使用一系列斜率逐渐增大的折线代替膨胀段曲线，每一个转折处发出膨胀波、在喷管轴线或曲线壁面上的反射波彼此相交后得到波线，所有折线依次连接形成连续光滑喷管型线。但该方法有以下几个缺点：
3、1）该方法的喷管膨胀段型线依赖经验进行设计；
4、2）各级膨胀波系必须严格组织。当折线段尺寸较大时，膨胀波的相交及其在壁面的反射会引起膨胀波没有在折线段转折点处反射，从而引起特征线在壁面处的相交，进而破坏膨胀波系的有序性，导致喷管消波段出口流场出现不规则性。
5、foelsch法是典型的使用源流区近似计算的方法，该方法的初始膨胀段将喉道处的声速来流近似作为转折点的超声速源流，消波段型线是把超声速源流变成满足设计马赫数要求的平行均匀流，同时消除壁面所有的膨胀波。但该方法有以下几个缺点：
6、1）该方法喷管初始膨胀段处壁面曲线极其依赖经验；
7、2）由于源流假设的局限性，设计的喷管一般很长；
8、3）源流区与均匀区直接相连造成轴向速度梯度不连续，影响了流场品质。
9、sivells方法通过设置轴向马赫数分布得到了具有连续曲率的喷管型线，使得喷管内部没有集中的压缩波，改善了流场品质，但该方法有以下几个缺点：
10、1）该方法仍使用源流区的假设，喷管长度仍然很长；
11、2）设置轴向马赫数分布依赖经验公式；
12、3）根据轴向马赫数分布进行计算极其容易发生特征线相交。
13、圆弧加直线的方法是一种比较简单的近似方法，该方法将转折点处以圆弧代替以减少由于曲率过大引起的流动分离，同时将初始膨胀段用直线代替，该方法原理简单，实现方便，但是不能做到良好的喷管长度控制。
14、赵一龙、赵玉新等人在“超声速型面可控喷管设计方法”一文中提供了一种基于轴线马赫数分布的喷管短化设计方法。该方法舍弃了源流区的假设，直接通过六次贝塞尔曲线控制轴线处马赫数分布来缩短喷管核心区长度。但该方法有以下几个缺点：
15、1）轴线马赫数分布规律依赖经验，没有统一的规律；
16、2）计算出的喷管特征线在壁面附近极易相交；
17、徐惊雷等人提供了一种基于壁面压力分布的喷管短化设计方法。该方法通过给出喷管整个扩张段的压力分布控制喷管长度。但该方法有以下几个缺点：
18、1）计算出的喷管无法得到均匀来流，所以只能适用于飞行器喷管；
19、2）无法控制喷管的总长度；
20、3）随马赫数增大，特征线网格会变得稀疏，影响最终计算精度。
21、综合分析，目前针对喷管短化设计的方法大多数依赖经验，且操作繁琐，喷管特征线容易相交。结合喷管设计特征线法原理，本发明针对初始膨胀段壁面马赫数分布提供一种基于初始膨胀段壁面马赫数分布的喷管短化设计方法，解决特征线在初始膨胀段壁面相交的问题，同时根据初始膨胀段壁面长度优化喷管最终的长度。
技术实现思路
1、鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于初始膨胀段壁面马赫数分布的喷管短化设计方法；
2、为实现上述发明目的，本发明技术方案如下：
3、一种基于初始膨胀段壁面马赫数分布的喷管短化设计方法，包括如下步骤：
4、步骤1，给定初始膨胀段壁面马赫数分布；
5、步骤2，计算喷管核心区流场；
6、步骤3，计算初始膨胀段流场；
7、步骤4，给定消波区出口边界马赫数或者流动角分布；
8、步骤5，计算消波区流场；
9、步骤6，步骤1~步骤5中得到的喷管核心区、初始膨胀段、消波区在空间上依次连接构成整个喷管的流场和型面。
10、作为优选方式，步骤1中所述的给定初始膨胀段壁面马赫数分布，包括以下步骤：
11、步骤1中所述的给定初始膨胀段壁面马赫数分布，包括以下步骤：
12、1.1）以原点为坐标建立坐标系，横轴x为喷管横向距离坐标，纵轴ma为马赫数；
13、1.2）给定5个控制点ci[xi,mai]，其中，i = 1、2、3、4、5 ，并给定初始膨胀段壁面马赫数分布控制系数mad、l、yp1、yp2、 f 1 、f 2 ，x0，ma0，其中mad为设计马赫数，l为初始膨胀段壁面长度，yp1为控制点c1处的斜率，yp2为控制点c5[x5,ma5]处的斜率， f 1 、f 2为c2和c4点沿起始点和末端点处线段的比例系数；
14、1.3）默认初始点c1[x1,ma1]坐标为c1[0,1.0]，末尾点c5[l,mad]；
15、1.4）通过斜率yp1和比例系数 f 1得到c2的坐标；
16、1.5）c3[x3,ma3]为c1c5段中间点，横坐标为 f 1l，纵坐标为1.0+yp1 f 1l与mad之中的较小值；
17、1.6）通过斜率yp2和比例系数 f 2得到c4的坐标；
18、1.7）根据1.1）、1.2）、1.3）、1.4）、1.5）、1.6）确定的控制点c1[0,1.0]、控制点c2[x2,ma2]、控制点c3[x3,ma3]、控制点c4[x4,ma4]、控制点c5[l,mad]，由b-spline曲线求解出初始膨胀段壁面马赫数随轴向坐标x的分布情况。
19、作为优选方式，步骤2中所述计算喷管核心区流场，包括以下步骤：
20、2.1）给定喉道边界网格点个数n和入口参数分布，通过喉道边界网格点个数n等距给定喉道边界网格点，应用特征线法中的内点，求解自入口起始点发出右行特征线与相邻喉道边界网格点发出的左行特征线交点的坐标和流场参数，依次应用特征线法求解至第n-1个喉道边界网格点发出的右行特征线与喉道边界网格末尾点发出的左行特征线相交的待求解点的坐标和流场参数，所述入口参数指的是马赫数、压力、密度、速度、速度方向、温度，该步骤得到的求解点即为喷管核心区内点；
21、2.2）应用特征线法中的轴线点，求解2.1）中的喷管核心区内点末尾点发出的右行特征线与喉道边界网格末尾点发出的流线相交的待求解点的坐标和流场参数，该步骤得到的求解点即为喷管核心区轴线点；
22、2.3）将2.1）、2.2）中计算出的喷管核心区内点与喷管核心区轴线点作为先前解点代替喉道边界网格点；
23、2.4）重复2.1）和2.2）的过程n-1次，计算得到后续的喷管核心区内点与喷管核心区轴线点，依次连接喉道边界网格点所在的线段、喷管核心区轴线点所在的线段、入口起始点与第n-1个喷管核心区轴线点的连线构成了喷管核心区。
24、作为优选方式，步骤3中所述计算初始膨胀段流场，包括以下步骤：
25、3.1）给定初始膨胀段壁面点个数m；
26、3.2）根据步骤1中得到的初始膨胀段壁面马赫数分布作为约束条件，并根据步骤2得到的入口起始点与第n-1个喷管核心区轴线点的连线所在的右行特征线作为边界条件，应用特征线法中的自由边界点，求解喷管核心区内点发出的左行特征线与喉道边界网格初始点发出的流线相交的待求解点的坐标和流场参数，该步骤得到的求解点即为初始膨胀段壁面点；
27、3.3）将所述3.2）中计算得到的初始膨胀段壁面点与步骤1中得到的初始膨胀段壁面马赫数分布上相同x坐标处的马赫数进行对比，如果二者不在规定误差范围内，则在3.2）中的喷管核心区内点的影响域中向前迭代，直到初始膨胀段壁面点的马赫数与步骤1中得到的初始膨胀段壁面马赫数分布之差在误差范围内；
28、3.4）应用特征线法中的内点，迭代求解喷管核心区内点发出的左行特征线与初始膨胀段壁面点发出的右行特征线相交得到待求解点的坐标及流场参数，然后将此点作为先前解点代替初始膨胀段壁面点依次求解，该步骤得到的求解点即为初始膨胀段内点；
29、3.5）应用特征线法中的轴线点，迭代求解步骤2.2）中的喷管核心区轴线末尾点发出的左行特征线与3.4）中计算得到的初始膨胀段内点发出的右行特征线相交的待求解点的坐标及流场参数，该步骤得到的求解点即为初始膨胀段轴线点；
30、3.6）将3.1）~3.5）计算出的初始膨胀段壁面点、初始膨胀段内点、初始膨胀段轴线点所在的右行特征线作为新的边界条件，重复3.2）~3.5）直至计算到第m个初始膨胀段壁面点所在特征线上的轴线点上的马赫数大于设计马赫数md，该步骤得到的求解点即为后续初始膨胀段内点、初始膨胀段壁面点、初始膨胀段轴线点；
31、3.7）在第m-1个初始膨胀段壁面点与相邻的初始膨胀段内点的连线上选取中间点，并以此为先前解点重复3.2）~3.5）直至第m-1个轴线点上的马赫数与设计马赫数md对比后在误差范围内，该步骤得到的新的第m个初始膨胀段壁面点以及所在特征线上的初始膨胀段内点、初始膨胀段轴线即为初始膨胀段出口边界；
32、3.8）所述3.1）~3.7）中得到的初始膨胀段壁面点所在的曲线段、初始膨胀段出口边界、初始膨胀段轴线点所在的线段、步骤2中得到的入口起始点与第n-1个喷管核心区轴线点的连线构成了初始膨胀段。
33、作为优选方式，步骤4中给定消波区出口边界马赫数或者流动角分布，包括以下步骤：
34、4.1）根据设计马赫数md的马赫角，在步骤3中计算得到的第m-1个初始膨胀段轴线点处发出马赫线；
35、4.2）直接给定4.1）中所述的马赫线上的出口马赫数mae或者流动角θ，直接在消波区出口边界给定k个消波区出口边界点，其中k=m-1。
36、作为优选方式，步骤5中计算消波区流场，包括以下步骤：
37、5.1）应用特征线法求解步骤3中得到的初始膨胀段出口边界上的点发出的流线与步骤4中得到的马赫线相交的消波区出口边界点的坐标与流场参数；
38、5.2）应用特征线法中的内点，求解步骤3中得到的初始膨胀段出口边界上的点发出流线与5.1）中得到的消波区出口边界点逆向发出的右行特征线相交的待求解点的坐标和流场参数，该步骤得到的求解点即为消波区内点；
39、5.3）将5.2）中计算得到的消波区内点作为先前解点代替消波区出口边界点重复5.2）直至后续消波区内点逆向发出的右行特征线与初始膨胀段壁面末尾点发出的流线相交于待求解点，并应用特征线法中的壁面点，求解待求解点的坐标和流场参数，该步骤得到的求解点即为消波区壁面点；
40、5.4）将5.2）、5.3）中计算得到的消波区壁面点和消波区内点作为先前解点代替初始膨胀段出口边界点；
41、5.5）重复5.1）~5.4）直到消波区壁面点发出的流线与步骤4中得到的马赫线相交于第k个消波区出口边界点，该步骤得到的求解点即为后续消波区内点、消波区壁面点；
42、5.6）所述5.1）~5.5）中得到的消波区壁面点所在的曲线段、步骤4中得到的消波区出口边界和步骤3中得到的初始膨胀段出口边界构成了消波区。
43、本发明的有益效果为：
44、1）解决了传统方法在喷管设计时初始膨胀段壁面处特征线容易相交的问题；
45、2）解决了传统方法在生成喷管壁面时必须由两侧解点插值得到的问题；
46、3）通过控制马赫数分布达到控制喷管长度的效果；
47、4）在同等流场品质下长度相较于传统方法设计的喷管，本发明设计的喷管长度缩短；
48、5）由于长度的缩短，加工费用和加工难度降低；
49、6）由于长度的缩短，喷管出口边界层厚度减少，有效试验面积增加。
1.一种基于初始膨胀段壁面马赫数分布的喷管短化设计方法，其特征在于：包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于初始膨胀段壁面马赫数分布的喷管短化设计方法，其特征在于：
3.根据权利要求1所述的基于初始膨胀段壁面马赫数分布的喷管短化设计方法，其特征在于：
4.根据权利要求3所述的基于初始膨胀段壁面马赫数分布的喷管短化设计方法，其特征在于：
5.根据权利要求4所述的基于初始膨胀段壁面马赫数分布的喷管短化设计方法，其特征在于：
6.根据权利要求5所述的基于初始膨胀段壁面马赫数分布的喷管短化设计方法，其特征在于：
