本發(fā)明涉及航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域，尤其是涉及航空發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)雙s彎噴管設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)：

隨著各種反隱身技術(shù)的發(fā)展，依靠隱身外形設(shè)計(jì)、冷卻技術(shù)和傳統(tǒng)隱身材料實(shí)現(xiàn)低可探測(cè)隱身性能的現(xiàn)役隱身戰(zhàn)機(jī)(如f-22戰(zhàn)斗機(jī)和b-2轟炸機(jī))的技術(shù)優(yōu)勢(shì)已無(wú)法維太長(zhǎng)時(shí)間。此時(shí)，必須從機(jī)體與發(fā)動(dòng)機(jī)一體化隱身設(shè)計(jì)理念出發(fā)，尋求新的隱身途徑，在這樣的背景下，s彎噴管應(yīng)運(yùn)而生。目前，國(guó)內(nèi)都外針對(duì)幾種可能的雙s彎噴管方案進(jìn)行了預(yù)研，但是在這類研發(fā)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，缺乏對(duì)于噴管中心線、沿流向噴管截面面積、截面形狀等性能參數(shù)的綜合考慮的雙s彎噴管隱身設(shè)計(jì)方法，從而影響雙s彎噴管的研發(fā)設(shè)計(jì)的效率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種雙s彎噴管設(shè)計(jì)方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的雙s彎噴管隱身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在的技術(shù)問(wèn)題，在兼顧氣動(dòng)性能的前提下，增加了雙s彎噴管的設(shè)計(jì)效率、精度和通用性。

本發(fā)明提供的一種雙s彎噴管設(shè)計(jì)方法，包括：

獲取初始設(shè)計(jì)參數(shù)，所述初始設(shè)計(jì)參數(shù)包括：噴管進(jìn)口截面直徑rin、噴管s段長(zhǎng)度l、噴管總偏距s，噴管出口截面的寬度we和噴管出口截面的高度he，其中所述噴管s段長(zhǎng)度l為噴管第一個(gè)s彎軸向長(zhǎng)度和噴管第二個(gè)s彎軸向長(zhǎng)度的和，所述噴管總偏距s為噴管出口中心線與入口中心線的縱向距離，所述噴管出口截面為矩形；

根據(jù)初始設(shè)計(jì)參數(shù)，利用噴管沿程截面的面積變化規(guī)律，計(jì)算噴管沿程超橢圓截面的長(zhǎng)半軸a(x)和短半軸b(x)的變化規(guī)律；

根據(jù)噴管沿程截面面積、長(zhǎng)半軸a(x)變化規(guī)律和短半軸b(x)變化規(guī)律，確定超橢圓形狀指數(shù)n。

根據(jù)噴管完全遮擋，利用給定的噴管總偏距s，確定第一段s彎縱向偏距δy1和第二段s彎縱向偏距δy2。

相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明所述的雙s彎噴管設(shè)計(jì)方法具有以下優(yōu)勢(shì)：克服了傳統(tǒng)的超橢圓方法在設(shè)計(jì)s彎時(shí)，形狀因子n的選取需要查表來(lái)確定，不僅耗時(shí)，而且精確度不高，容易產(chǎn)生面積突變，對(duì)進(jìn)氣道或噴管內(nèi)流和出口截面的總壓影響的問(wèn)題，本發(fā)明建立了一種只需要考慮噴管進(jìn)、出口參數(shù)，中間段截面參數(shù)都能唯一確定的自適應(yīng)建模方法，極大程度上提高了建模效率和準(zhǔn)確性。

附圖說(shuō)明

為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明具體實(shí)施方式或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)具體實(shí)施方式或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發(fā)明的一些實(shí)施方式，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的雙s彎噴管設(shè)計(jì)思路流程圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的雙s彎噴管完全遮擋示意圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例雙s彎噴管設(shè)計(jì)參數(shù)示意圖；

圖4為本發(fā)明實(shí)施例雙s彎噴管整體示意圖；

圖5a、圖5b和圖5c為本發(fā)明實(shí)施例雙s彎噴管不同面積過(guò)渡方程的雙s彎噴管模型；

圖5d為本發(fā)明實(shí)施例根據(jù)圖5a、圖5b和圖5c所示的雙s彎噴管模型進(jìn)行數(shù)值得到的噴管ma分布；

圖6a、圖6b和圖6c為本發(fā)明實(shí)施例雙s彎噴管不同偏距比s/d的雙s彎模型；

圖6d為本發(fā)明實(shí)施例根據(jù)圖6a、圖6b和圖6c所示的雙s彎噴管模型進(jìn)行數(shù)值得到的噴管ma分布；

圖7a、圖7b和圖7c為本發(fā)明實(shí)施例雙s彎噴管不同寬高比w/h的雙s彎模型；

圖7d為本發(fā)明實(shí)施例根據(jù)圖7a、圖7b和圖7c所示的雙s彎噴管模型進(jìn)行數(shù)值得到的噴管ma分布；

圖8a、圖8b、圖8c、圖8d和圖8e為通過(guò)實(shí)施本發(fā)明實(shí)施例制作的雙s彎噴管實(shí)驗(yàn)件。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

在本發(fā)明的描述中，需要說(shuō)明的是，術(shù)語(yǔ)“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“內(nèi)”、“外”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡(jiǎn)化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對(duì)本發(fā)明的限制。此外，術(shù)語(yǔ)“第一”、“第二”、“第三”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對(duì)重要性。

在本發(fā)明的描述中，需要說(shuō)明的是，除非另有明確的規(guī)定和限定，術(shù)語(yǔ)“安裝”、“相連”、“連接”應(yīng)做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機(jī)械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過(guò)中間媒介間接相連，可以是兩個(gè)元件內(nèi)部的連通。對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以具體情況理解上述術(shù)語(yǔ)在本發(fā)明中的具體含義。

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。

本發(fā)明的考慮中心線變化規(guī)律、面積變化規(guī)律、超橢圓方程和完全遮擋法則，流程圖如圖1所示，本發(fā)明具體實(shí)施步驟如下：

步驟1：獲取初始設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)其他結(jié)構(gòu)的尺寸、發(fā)動(dòng)機(jī)噴管的安裝位置和空間尺寸，確定噴管進(jìn)口圓的直徑rin，噴管s段長(zhǎng)度l，l＝l1+l2其中，l1是噴管第一個(gè)s彎軸向長(zhǎng)度，l2是噴管第二個(gè)s彎軸向長(zhǎng)度；確定噴管總偏距s，噴管總偏距s為噴管出口中心線與入口中心線的縱向距離，確定噴管出口面積和出口寬高比，計(jì)算當(dāng)量半徑re，根據(jù)面積公式πre²＝we×he，得到出口矩形截面的寬度we及高度he。

步驟2：計(jì)算噴管沿程各截面長(zhǎng)半軸a(x)和短半軸b(x)的變化規(guī)律

根據(jù)初始設(shè)計(jì)參數(shù)，按照公式(1)的噴管沿程面積變化規(guī)律：

式中，x為噴管的橫坐標(biāo)，l為噴管s段長(zhǎng)度(即l＝l1+l2)，ae為噴管出口面積，ain為噴管進(jìn)口面積。這里k1和k2分別推薦為3和2。

將噴管進(jìn)口、出口以及中間任意截面均假設(shè)為圓形，因此(1)式可變化為：

式中，rin為噴管進(jìn)口半徑，re為噴管出口當(dāng)量半徑，r為中間任意截面半徑。

令

假設(shè)噴管中間任意截面為超橢圓，由此可得噴管中間截面橢圓的長(zhǎng)半軸a(x)和短半軸b(x)長(zhǎng)度的變化規(guī)律為：

式中，ae，be分別為噴管出口矩形截面we和he的一半。

步驟3：確定超橢圓的形狀指數(shù)n

根據(jù)超橢圓的面積積分公式：

令

由面積變化規(guī)律、長(zhǎng)半軸和短半軸a(x)，b(x)變化規(guī)律公式可以確定任意截面面積和對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)半軸a、短半軸b，所以任意截面的指數(shù)n是唯一的，根據(jù)超橢圓截面面積公式(6)，由二分法迭代出截面指數(shù)n。

通過(guò)以上方法，可以確定超橢圓曲線的三個(gè)參數(shù)，利用遞推算法計(jì)算超橢圓曲線所需要的離散坐標(biāo)點(diǎn)。

遞推公式的表達(dá)式為：

式中，δδ是遞推運(yùn)算的步長(zhǎng)。

求出xi+1和yi+1之后，用式(8)計(jì)算超橢圓的坐標(biāo)點(diǎn)。

步驟4：獲取第一段s彎縱向偏距δy1和第二段s彎縱向偏距δy2

根據(jù)飛機(jī)總體設(shè)計(jì)要求確定發(fā)動(dòng)機(jī)噴管的安裝空間尺寸，確定噴管總偏距s作為輸入?yún)?shù)，而后確定第一段s彎縱向偏距δy1和第二段s彎縱向偏距δy2。

如圖2所示建立的坐標(biāo)系，b點(diǎn)坐標(biāo)為(0,-r)，n點(diǎn)坐標(biāo)為(l1+l2,δy2-δy1-1/2he)，m點(diǎn)坐標(biāo)為(l1,bm-δy1)。根據(jù)完全遮擋法則，當(dāng)b-m-n三點(diǎn)共線時(shí)，可得到第一段s彎縱向偏距δy1和第二段s彎縱向偏距δy2的臨界值，此時(shí)從噴管后方完全看不見噴管入口及其上游部件，以降低尾向的紅外輻射，同時(shí)從噴管出口任意角度都無(wú)法直接探測(cè)到高溫渦輪部件。

s＝△y2-△y1(10)

聯(lián)立式(9)和式(10)，可以分別得到第一段s彎和第二段s彎的縱向偏距臨界值。

舉例來(lái)說(shuō)，本實(shí)施例提供的雙s彎噴管設(shè)計(jì)方法，目的在于解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的雙s彎噴管隱身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在的技術(shù)問(wèn)題，在兼顧氣動(dòng)性能的前提下，增加了雙s彎噴管的設(shè)計(jì)效率、精度和通用性。例如：通過(guò)本實(shí)施例提供的雙s彎噴管設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)得到3種雙s彎噴管的幾何參數(shù)的物理模型，具體可如圖5a、圖5b和圖5c所示的。其中，圖5a屬于前緩后急的面積過(guò)渡規(guī)律；圖5b屬于前急后緩的面積過(guò)渡規(guī)律；圖5c屬于緩急相當(dāng)?shù)拿娣e過(guò)渡規(guī)律。

再例如：通過(guò)本實(shí)施例提供的雙s彎噴管設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)得到3種雙s彎噴管的幾何參數(shù)的物理模型，具體可如圖6a、圖6b和圖6c所示的。其中，圖6a，偏距比s/d＝0；圖6b，s/d＝0.5；圖6c,s/d＝1。

再例如：通過(guò)本實(shí)施例提供的雙s彎噴管設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)得到3種雙s彎噴管的幾何參數(shù)的物理模型，具體可如圖7a、圖7b和圖7c所示的。其中，圖7a,寬高比w/h＝3.3；圖7b,w/h＝5；圖7c,w/h＝6.7。

其中，對(duì)如圖5a、圖5b和圖5c所示的雙s彎噴管模型進(jìn)行數(shù)值模擬，可得如圖5d所示的噴管ma分布，由此可見噴管內(nèi)均沒有發(fā)生回流和分離，本實(shí)施例所設(shè)計(jì)的雙s彎噴管氣動(dòng)性能良好。

對(duì)如圖6a、圖6b和圖6c所示的雙s彎噴管模型進(jìn)行數(shù)值模擬，可得如圖6d所示的噴管ma分布，由此可見噴管內(nèi)均沒有發(fā)生回流和分離，本實(shí)施例所設(shè)計(jì)的雙s彎噴管氣動(dòng)性能良好。

對(duì)如圖7a、圖7b和圖7c所示的雙s彎噴管模型進(jìn)行數(shù)值模擬，可得如圖7d所示的噴管ma分布，由此可見噴管內(nèi)均沒有發(fā)生回流和分離，本實(shí)施例所設(shè)計(jì)的雙s彎噴管氣動(dòng)性能良好。

進(jìn)一步的，采用本實(shí)施例提出的雙s彎噴管設(shè)計(jì)方法，在寬高比為w/h＝3.3的條件下，制作了5個(gè)噴管實(shí)驗(yàn)件，材料為不銹鋼，如圖8a-8e所示。

最后應(yīng)說(shuō)明的是：以上各實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對(duì)其限制；盡管參照前述各實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解：其依然可以對(duì)前述各實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對(duì)其中部分或者全部技術(shù)特征進(jìn)行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實(shí)施例技術(shù)方案的范圍。