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超声速喷管的设计及工艺对流场品质的影响研究

作　者: 吴连胜
导　师: 徐让书; 李光里
学　校:
专　业: 航空宇航推进理论与工程
关键词: 超声速风洞喷管设计阶差流场品质
分类号: V211.74
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

风洞是空气动力实验中最常用、最有效的工具，是航空航天领域必不可少的实验设备。喷管在超声速风洞中的作用是将亚声速气流转变为超声速气流，其型线设计的好坏对试验段流场品质有直接影响。超声速风洞喷管和试验段之间都是用法兰连接，法兰连接时，风洞内壁会产生错位阶差，法兰和法兰之间的密封垫在加工或安装时也会在内壁形成凸起阶差或者凹陷阶差。超声速气流流经阶差处时会产生激波或膨胀波，激波和膨胀波向后传播将直接影响下游试验段的流场品质。在该领域目前只有一些定性的经验看法，尚无人做过系统的理论和实验研究。因此本文将从CFD数值模拟和风洞试验两方面来定量的分析和验证喷管设计和安装阶差对试验段流场品质的影响。本文的主要工作包含以下四个方面：A：大连理工大学高速风洞试验平台设计；B：设计两个Ma数的超声速喷管，Ma数分别为1.6和2.0。C：用CFD数值模拟方法研究所设计的超声速喷管。然后再通过实验的方法对喷管设计的合理性进行验证。D：应用CFD数值模拟方法计算和研究阶差对试验段流场品质的影响，再通过实验验证。得到错位阶差应小于0.5mm；凸起阶差应小于1mm；凹陷阶差应小于2mm。本文采用Fluent软件实现数值模拟计算。实验设备用的是由我校流体工程研究所设计研制的大连理工大学200mm×200mm下吹暂冲式超声速风洞试验平台。实验方法主要是通过传感器测压、边界层耙测量边界层厚度、试验段侧壁静压孔测压和纹影仪观察激波这四种方法来分析喷管设计及阶差对试验段流场的影响研究。目前，国内基于超声速喷管设计及工艺对试验段流场品质的影响研究尚属首例，所以本课题的研究在理论和工程应用上都有一定的价值。

全文目录

摘要  6-7
Abstract  7-11
主要符号表  11-12
第1章绪论  12-16
  1.1 课题研究背景及研究目的  12-13
  1.2 国内外发展现状  13-14
  1.3 本文内容及创新点  14-16
第2章 200mm×200mm 三声速风洞  16-32
  2.1 阀门系统  16-18
  2.2 气源系统  18-19
  2.3 大开扩段  19-20
  2.4 稳定段  20-22
  2.5 收缩段  22-24
  2.6 喷管段  24-26
  2.7 试验段及驻室  26-30
  2.8 超扩段  30-31
  2.9 消声塔  31-32
第3章拉瓦尔喷管位流曲线设计  32-44
  3.1 常用设计方法  33-36
  3.2 喷管设计参数  36-38
  3.3 喉部截面计算  38-39
  3.4 泉流区曲线参数计算  39-40
  3.5 过渡流区参数计算  40-41
  3.6 附面层修正  41
  3.7 收缩段型面计算  41-43
  3.8 喷管计算结果  43-44
第4章喷管 CFD 计算及实验验证  44-51
  4.1 控制方程  44-45
  4.2 湍流模型  45-46
  4.3 几何模型  46
  4.4 网格生成  46-47
  4.5 边界条件  47-48
  4.6 计算结果及讨论  48-49
  4.7 喷管实验验证  49-51
第5章阶差的影响计算及实验验证  51-73
  5.1 激波和膨胀波  51-56
    5.1.1 膨胀波的形成  51-52
    5.1.3 激波的形成  52-53
    5.1.4 激波前后的参数关系  53-56
  5.2 不同阶差的影响计算  56-62
    5.2.1 凸起阶差的影响计算  56-59
    5.2.2 凹陷阶差的影响计算  59-60
    5.2.3 错位阶差的影响计算  60-62
  5.3 实验验证及结论  62-73
    5.3.1 实验设备  62-64
    5.3.2 纹影法的基本原理  64-67
    5.3.3 实验过程  67-68
    5.3.4 实验结果  68-73
结论  73-74
附录Ⅰ 喷管曲线坐标  74-78
附录Ⅱ 计算云图  78-82
参考文献  82-84
致谢  84-85
攻读硕士期间发表（含录用）的学术论文  85

超声速喷管的设计及工艺对流场品质的影响研究

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