本发明涉及风洞设备气动设计领域，具体地，涉及一种基于超椭圆曲面的方变圆收缩段型面的设计方法。
背景技术：
1、收缩段是低速风洞的核心部段，其作用是均匀加速气流，使其达到试验段需要的流速。
2、在上世纪40年代，人们就对收缩段曲线设计开展研究，并得到了多种收缩曲线设计方法，并结合工程设计，并总结出了常用的收缩曲线，主要包括维托辛斯基曲线、维托辛斯基移轴曲线、双三次曲线、五次曲线等。这些曲线主要特点是在收缩段入、出口与上下游保持连续、光滑，部分曲线保持二阶可导。
3、收缩曲线确定后，常规的圆形收缩段型面通过收缩曲线轴对称形成、矩形收缩段则通过收缩段曲线拉伸构成。
4、随着风洞效能设计要求的提高，为了节省角部处无效气流耗能，对试验段进行切角、或者直接采用圆形截面试验段设计；而试验段上游的收缩段，为了上游整流装置、热交换装置的设计与按照，仍采用矩形截面设计。因此，收缩段型面的设计除了需要解决面积收缩的问题之外，还需要解决沿轴向如何由矩形截面向圆形截面过渡、以及方变圆过渡与收缩曲线耦合方法的问题。另外，由于方变圆收缩段相对于常规的矩形收缩段和圆形收缩段，其角部处几何收缩比例更大，气流产生的逆压梯度更明显，流动分离的风险更大。针对上述问题，亟需提供一种方变圆收缩段型面及设计方法，以实现方变圆过渡收缩段型面的工程设计。
技术实现思路
1、为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种基于超椭圆曲面的方变圆收缩段型面的设计方法，解决了方变圆收缩段截面过渡与收缩曲线耦合的问题，通过采用超椭圆曲面，有效控制角部收缩速度，同时避免收缩段型面横向导数不连续，实现降低入口附近流动分离风险、缓解角部收缩带来的横向流动对下游试验段流场的影响，提高方变圆收缩段设计的可靠性。
2、为实现上述目的，本发明提供了一种基于超椭圆曲面的方变圆收缩段型面的设计方法，方变圆收缩段型面的入口截面为矩形，方变圆收缩段型面的出口截面为圆形，方变圆收缩段型面的入口截面至出口截面之间的气动型面为超椭圆曲面，方变圆收缩段型面上垂直于轴向的任意横截面为超椭圆曲线，所述方法包括：
3、步骤1：确定方变圆收缩段型面设计的输入条件；
4、步骤2：建立三维坐标系；
5、步骤3：在三维坐标系中，对 y≥0且 z≥0的1/4象限区域内的方变圆收缩段型面进行设计；
6、步骤4：基于输入条件，获得竖直对称面上的方变圆收缩段型面曲线关于固定值u的第一参数方程；
7、步骤5：基于输入条件，获得水平对称面上的方变圆收缩段型面曲线关于固定值u的第二参数方程；
8、步骤6：基于第一参数方程和第二参数方程，获得方变圆收缩段型面的曲面方程；
9、步骤7：基于方变圆收缩段型面的曲面方程，依据参数空间取值范围内进行曲面建模，得到方变圆收缩段型面；
10、步骤8：基于步骤7获得的方变圆收缩段型面通过平面对称获得其它3个象限对应的方变圆收缩段型面，基于4个象限对应的方变圆收缩段型面获得完整的方变圆收缩段型面。
11、其中，本方法的原理为：采用超椭圆曲面作为方变圆收缩段型面设计，通过第一参数方程、第二参数方程确定的方变圆收缩段对称面上的收缩曲线，来限定超椭圆曲面边界曲线；同时，通过控制超椭圆曲面沿轴向位置的超椭圆曲线形状变化，来实现方变圆收缩段沿轴向由矩形截面向圆形截面的过渡，解决方变圆收缩段截面过渡与收缩曲线耦合的问题。采用超椭圆曲面作为方变圆收缩段型面设计，收缩段型面任意位置沿周向连续、光滑，抑制了壁面附近气流因收缩段型面横向导数不连续而导致的横向流动。采用超椭圆曲面作为方变圆收缩段型面设计，收缩段入口角部附近收缩速度相对平缓，缓解了该区域沿流向存在的逆压梯度分布，降低了流动分离的风险。
12、其中，第一、二参数方程为常规圆形/矩形收缩段型面收缩曲线，风洞应用中取得了较好的结果。在方变圆过渡收缩段型面设计中，收缩曲面在对称面上的设计采用与常规圆形/矩形收缩段类似设计。第一、二参数方程为平面曲线方程（对称面上收缩曲线），超椭圆曲面方程为三维曲面方程。方变圆收缩段曲面设计采用超椭圆曲面设计时，当曲面方程变量v分别取固定值0和π/2时，曲面方程即退化为平面曲线方程，即第一、第二参数方程；v取(0,π/2)，即得到对称面之间的曲面其他坐标。
13、优选的，所述方法还包括：
14、步骤9：对获得完整的方变圆收缩段型面进行流场仿真评估。
15、优选的，输入条件包括：方变圆收缩段的入口截面尺寸、方变圆收缩段的出口截面尺寸和方变圆收缩段的轴向长度。
16、优选的，第一参数方程为：
17、；
18、其中， l为方变圆收缩段的轴向长度， h为方变圆收缩段的入口截面高度， d为方变圆收缩段的出口截面直径； u为轴向位置参数，定义为 x轴方向坐标与方变圆收缩段的轴向长度 l之比；xt(u)、yt(u)和zt(u)分别为高度方向收缩曲线 x、 y和 z轴方向坐标，下标 t代表高度方向的收缩曲线，ct(u)为第一归一化收缩曲线方程。
19、优选的，第二参数方程为：
20、；
21、其中， w为方变圆收缩段的入口截面宽度； l为方变圆收缩段的轴向长度， d为方变圆收缩段的出口截面直径； u为轴向位置参数，定义为 x轴方向坐标与方变圆收缩段的轴向长度 l之比；xs(u)、ys(u)和zs(u)分别为宽度方向收缩曲线 x、 y和 z轴方向坐标，下标 s代表宽度方向的收缩曲线，cs(u)为第二归一化收缩曲线方程。
22、优选的，方变圆收缩段型面的曲面方程为：
23、；
24、其中， v为曲面周向位置参数，定义为过收缩段型面上点及 x轴的面与 xz平面的夹角； l为方变圆收缩段的轴向长度； u为轴向位置参数，定义为 x轴方向坐标与方变圆收缩段的轴向长度 l之比； x( u, v)、 y( u, v)和 z( u, v)分别为由轴向位置参数 u和曲面周向位置参数 v控制的曲面 x、 y和 z轴坐标，r( u,v)为关于固定轴向位置参数 u的超椭圆曲线方程。
25、优选的，r( u,v)的计算方式为：
26、；
27、其中， η( u)为超椭圆沿轴向位置参数u确定的超椭圆曲线形状参数。
28、优选的， η( u)的计算方式为：
29、；
30、其中，α为超椭圆方程描述矩形误差的控制参数。
31、优选的， η( u=0)大于或等于50，以确保入口处超椭圆曲线与矩形误差较小。
32、优选的，所述步骤2具体包括：以方变圆收缩段的入口截面中心点为原点 o，垂直于入口截面且指向出口截面方向为 x轴正向，竖直向上为 y轴正向，并确定 z轴方向，建立三维坐标系。
33、优选的，步骤4和步骤5中采用的同一归一化收缩曲线方程，ct( u)=cs( u)=c( u)，以简化曲面复杂程度。
34、本发明提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
35、本发明解决了方变圆收缩段截面过渡与收缩曲线耦合的问题，通过采用超椭圆曲面，有效控制角部收缩速度，同时避免收缩段型面横向导数不连续，实现降低入口附近流动分离风险、缓解角部收缩带来的横向流动对下游试验段流场的影响，提高方变圆收缩段设计的可靠性。
1.一种基于超椭圆曲面的方变圆收缩段型面的设计方法，方变圆收缩段型面的入口截面为矩形，方变圆收缩段型面的出口截面为圆形，方变圆收缩段型面的入口截面至出口截面之间的气动型面为超椭圆曲面，方变圆收缩段型面上垂直于轴向的任意横截面为超椭圆曲线，其特征在于，所述方法包括：
2.根据权利要求1所述的一种基于超椭圆曲面的方变圆收缩段型面的设计方法，其特征在于，所述方法还包括：
3.根据权利要求1所述的一种基于超椭圆曲面的方变圆收缩段型面的设计方法，其特征在于，输入条件包括：方变圆收缩段的入口截面尺寸、方变圆收缩段的出口截面尺寸和方变圆收缩段的轴向长度。
4.根据权利要求1所述的一种基于超椭圆曲面的方变圆收缩段型面的设计方法，其特征在于，第一参数方程为：
5.根据权利要求1所述的一种基于超椭圆曲面的方变圆收缩段型面的设计方法，其特征在于，第二参数方程为：
6.根据权利要求1所述的一种基于超椭圆曲面的方变圆收缩段型面的设计方法，其特征在于，方变圆收缩段型面的曲面方程为：
7.根据权利要求6所述的一种基于超椭圆曲面的方变圆收缩段型面的设计方法，其特征在于，r(u,v)的计算方式为：
8.根据权利要求7所述的一种基于超椭圆曲面的方变圆收缩段型面的设计方法，其特征在于，η(u)的计算方式为：
9.根据权利要求7所述的一种基于超椭圆曲面的方变圆收缩段型面的设计方法，其特征在于，η(u=0)大于或等于50。
10.根据权利要求1所述的一种基于超椭圆曲面的方变圆收缩段型面的设计方法，其特征在于，所述步骤2具体包括：以方变圆收缩段的入口截面中心点为原点o，垂直于入口截面且指向出口截面方向为x轴正向，竖直向上为y轴正向，并确定z轴方向，建立三维坐标系。
