本發(fā)明屬于流動(dòng)控制技術(shù)和超聲速/高超聲速飛行器領(lǐng)域，具體涉及一種自維持合成雙射流激勵(lì)器及超聲速流動(dòng)控制方法。

背景技術(shù)：

高超聲速飛行器是指以馬赫5或更高速度在大氣層和跨大氣層中飛行的飛行器。高超聲速進(jìn)氣道在低于設(shè)計(jì)馬赫數(shù)下會(huì)出現(xiàn)不起動(dòng)現(xiàn)象，進(jìn)氣道的不起動(dòng)會(huì)導(dǎo)致進(jìn)氣道捕獲流量減少、總壓恢復(fù)降低，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)熄火，嚴(yán)重危害高超聲速飛行器的飛行性能甚至導(dǎo)致事故。所以控制高超聲速進(jìn)氣道內(nèi)流場(chǎng)、改善進(jìn)氣道起動(dòng)性能成為進(jìn)氣道研究的重點(diǎn)之一。

流動(dòng)控制技術(shù)尤其是新興的合成射流/雙射流控制技術(shù)被認(rèn)為是能夠控制進(jìn)氣道流場(chǎng)方法之一。相關(guān)研究表明，合成射流/雙射流控制技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用到亞聲速流場(chǎng)中，在邊界層分離控制中，能夠明顯的延緩邊界層的分離；在亞聲速進(jìn)氣道內(nèi)部流場(chǎng)控制中，能夠抑制進(jìn)氣道的二次流以及流場(chǎng)畸變，提高進(jìn)氣道性能。

目前合成射流/雙射流流場(chǎng)控制方式僅僅應(yīng)用于亞聲速進(jìn)氣道和邊界層分離控制，在超聲速/高超聲速進(jìn)氣道中的應(yīng)用還尚未有相關(guān)研究，傳統(tǒng)的合成射流/雙射流激勵(lì)器產(chǎn)生的射流能量相對(duì)于主流能量較低、控制效果不明顯。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明在解決膜片壓載失效問題的合成雙射流激勵(lì)器基礎(chǔ)上，提出自維持合成雙射流激勵(lì)器，顧名思義，其充分利用超聲速/高超聲速進(jìn)氣道流場(chǎng)特性，將進(jìn)氣口布置于高壓分離區(qū)，出氣口安放于低壓區(qū)，由兩口之間壓差驅(qū)動(dòng)流動(dòng)形成自維持射流，合成雙射流激勵(lì)器膜片的振動(dòng)可以增加射流的能量，同時(shí)調(diào)制射流的頻率和渦量特征，實(shí)現(xiàn)對(duì)進(jìn)氣道流場(chǎng)控制。具體技術(shù)方案如下：

一種超聲速流動(dòng)控制方法，采用自維持合成雙射流激勵(lì)器，所述自維持合成雙射流激勵(lì)器上開設(shè)有兩個(gè)入口、兩個(gè)出口，將所述兩個(gè)入口置于流場(chǎng)高壓區(qū)；將所述兩個(gè)出口置于流場(chǎng)低壓區(qū)。

本發(fā)明還提供了一種自維持合成雙射流激勵(lì)器，包括第一腔體板1，第二腔體板2、出口板3、安裝板4和振動(dòng)膜5；所述第一腔體板1、第二腔體板2和出口板3共同圍成內(nèi)部空腔，所述安裝板4將內(nèi)部空腔分割成第一空腔6和第二空腔7，所述安裝板上開設(shè)一個(gè)通口用于安裝振動(dòng)膜5；所述第一空腔對(duì)應(yīng)的出口板上開設(shè)有第一入口8、第一出口9；所述第二空腔對(duì)應(yīng)的出口板上開設(shè)有第二入口10、第二出口11；所述振動(dòng)膜設(shè)置在安裝板的通口處，用于隔開所述第一空腔和第二空腔。

優(yōu)選地，所述振動(dòng)膜5與所述安裝板4的連接處設(shè)有墊圈。

優(yōu)選地，所述振動(dòng)膜5為壓電陶瓷膜片。

優(yōu)選地，所述振動(dòng)膜5為圓形膜片。

采用本發(fā)明獲得的有益效果：

1、激勵(lì)器膜片不受壓載影響。本發(fā)明自維持合成雙射流激勵(lì)器獨(dú)特的構(gòu)型，有效地解決了振動(dòng)膜片壓載失效問題。在超聲速飛行時(shí)，進(jìn)氣道的前體壓縮楔板對(duì)高速來流減速增壓，研究表明：來流馬赫數(shù)達(dá)到3.5時(shí)激勵(lì)器的腔體內(nèi)壓力是來流壓力的14倍。因此，強(qiáng)壓載將使得合成射流激勵(lì)器膜片無法正常工作，甚至將破壞激勵(lì)器的結(jié)構(gòu)。自維持合成雙射流激勵(lì)器保留了合成雙射流激勵(lì)器的優(yōu)點(diǎn)，采用一膜雙腔結(jié)構(gòu)，兩腔內(nèi)壓力大小相當(dāng)，激勵(lì)器膜片兩側(cè)承受相同壓載，這保證了自維持合成雙射流激勵(lì)器能夠在超聲速流場(chǎng)環(huán)境中正常工作。

2、本發(fā)明自持循環(huán)設(shè)計(jì)結(jié)合激勵(lì)器膜片振動(dòng)能有效提高射流能量。本發(fā)明自維持合成雙射流激勵(lì)器能夠利用壓力差驅(qū)動(dòng)形成自持循環(huán)射流，自維持合成雙射流激勵(lì)器進(jìn)氣口吸入附面層低能量氣體，可以穩(wěn)定分離區(qū)，出口向附面層注入能量較高的射流，可以延緩流動(dòng)分離，有利于減小總壓損失。出氣口向超聲速/高超聲速流場(chǎng)噴射射流，會(huì)誘導(dǎo)弱激波，弱激波可以減弱下游激波的強(qiáng)度，有利于減阻降熱和氣動(dòng)力控制。振動(dòng)膜的振動(dòng)可以增加射流的能量，同時(shí)調(diào)制射流的頻率和渦量特征，實(shí)現(xiàn)對(duì)進(jìn)氣道流場(chǎng)控制。

3、本發(fā)明構(gòu)型設(shè)計(jì)對(duì)進(jìn)氣道構(gòu)型破壞小、體積小、質(zhì)量輕以及控制效果明顯?，F(xiàn)有技術(shù)中的合成射流/合成雙射流激勵(lì)器是單腔內(nèi)單出口產(chǎn)生射流，激勵(lì)器開口過長會(huì)導(dǎo)致進(jìn)氣道結(jié)構(gòu)在一定程度上遭到破壞，并且無法產(chǎn)生自持循環(huán)射流，相關(guān)研究表明，僅靠激勵(lì)器膜片振動(dòng)產(chǎn)生射流對(duì)超聲速來流控制效果不明顯。自維持合成雙射流在進(jìn)氣道表面開若干孔，盡可能減小對(duì)進(jìn)氣道結(jié)構(gòu)的破壞。此外，自維持合成雙射流激勵(lì)器還具有體積小，質(zhì)量輕等特點(diǎn)，最大可以使超聲速進(jìn)氣道自起動(dòng)馬赫數(shù)降低0.5，并且能夠顯著的提高進(jìn)氣道的總壓恢復(fù)系數(shù)以及流量系數(shù)。

4、本發(fā)明激勵(lì)器形成雙自維持合成射流控制效果佳，能量利用率高。自維持合成雙射流激勵(lì)器為一膜雙腔四口，一膜雙腔結(jié)構(gòu)可以形成兩個(gè)并列的自持循環(huán)吸吹射流，并且可以充分利用振動(dòng)膜的振動(dòng)能量，能量利用效率是普通合成射流激勵(lì)器的兩倍，工作頻率也是合成射流的兩倍。

5、本發(fā)明適用范圍廣。在超聲速/高超聲速流場(chǎng)中，廣泛存在激波、流動(dòng)分離等非定常流動(dòng)現(xiàn)象，這些現(xiàn)象都會(huì)使得部分流場(chǎng)壓強(qiáng)產(chǎn)生急劇的變化。自維持合成雙射流激勵(lì)器主要是利用超聲速/高超聲速流場(chǎng)中的壓力梯度特性，通過將進(jìn)氣口放置于高壓區(qū)，出氣口放置于低壓區(qū)，通過壓差驅(qū)動(dòng)形成自維持射流對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行控制。所以本發(fā)明可廣泛的適用于超聲速/高超聲速流場(chǎng)控制。綜上所述，本發(fā)明充分利用超聲速/高超聲速流場(chǎng)自身能量，實(shí)現(xiàn)對(duì)超聲速/高超聲速流場(chǎng)有效的控制，具有能耗低、結(jié)構(gòu)簡單、輕小型化、電參數(shù)控制、適用范圍廣的優(yōu)點(diǎn)。

附圖說明

圖1本發(fā)明方法工作示意圖；

圖2為本發(fā)明自維持合成雙射流激勵(lì)器示意圖；

圖3為本發(fā)明自維持合成雙射流激勵(lì)器的剖視圖；

圖4為本發(fā)明自維持合成雙射流激勵(lì)器二維工作原理簡化圖；

圖5為二維平面下自維持合成雙射流激勵(lì)器控制流場(chǎng)時(shí)內(nèi)部流場(chǎng)圖；

圖6為本發(fā)明激勵(lì)器二維平面下作用進(jìn)氣道位置圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

如圖1所示，本發(fā)明方法工作示意圖。圖中為一種超聲速流動(dòng)控制方法，采用自維持合成雙射流激勵(lì)器，所述自維持合成雙射流激勵(lì)器上開設(shè)有兩個(gè)入口、兩個(gè)出口，將所述兩個(gè)入口置于流場(chǎng)高壓區(qū)；將所述兩個(gè)出口置于流場(chǎng)低壓區(qū)。圖中虛線表示流體在激勵(lì)器內(nèi)部的流動(dòng)方向。利用超聲速流場(chǎng)壓力梯度，由高壓去的入口與低壓區(qū)的出口形成的兩口之間壓差驅(qū)動(dòng)流動(dòng)形成自維持射流，壓電陶瓷膜片的振動(dòng)作用是增加射流能量，同時(shí)調(diào)制射流的頻率和渦量特征。本發(fā)明方法在壓力驅(qū)動(dòng)下，流體從入口流入，經(jīng)腔體從出口流出，形成高速射流，該射流無需注入外界能量，能夠充分利用流場(chǎng)特征自行維持，實(shí)現(xiàn)對(duì)超聲速流場(chǎng)的控制。壓力梯度可以是激波前后形成的逆壓梯度，也可以是流場(chǎng)中的順壓梯度。激勵(lì)器振動(dòng)膜片的振動(dòng)可以增加射流的能量，同時(shí)調(diào)制射流的特征頻率和渦量脈動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)超聲速流場(chǎng)的控制。

如圖2所示，本發(fā)明自維持合成雙射流激勵(lì)器示意圖；本發(fā)明是對(duì)超聲速/高超聲速流場(chǎng)進(jìn)行方向控制，在內(nèi)流場(chǎng)控制中可以有效改善超聲速進(jìn)氣道內(nèi)部流場(chǎng)品質(zhì)、提高超聲速進(jìn)氣道在低于設(shè)計(jì)馬赫數(shù)下的起動(dòng)性能，具體為降低進(jìn)氣道的自起動(dòng)馬赫數(shù)、提高總壓恢復(fù)系數(shù)和進(jìn)氣道流量系數(shù)。此外，本發(fā)明還可以控制超聲速飛行器外流場(chǎng)，如激波、邊界層控制，實(shí)現(xiàn)減阻、降熱、氣動(dòng)力控制。實(shí)施例中以超聲速飛行器進(jìn)氣道內(nèi)流場(chǎng)控制為例進(jìn)行說明。

如圖3所示本發(fā)明自維持合成雙射流激勵(lì)器的剖視圖；沿圖(a)中a-a，b-b，c-c三條剖面線分別得到對(duì)應(yīng)的圖(b)、圖(c)和圖(d)三個(gè)剖視圖。從圖(a)、圖(b)、圖(c)、圖(d)中得到本發(fā)明自維持合成雙射流激勵(lì)器具體組成結(jié)構(gòu)，包括第一腔體板1，第二腔體板2、出口板3、安裝板4和振動(dòng)膜5；所述第一腔體板1、第二腔體板2和出口板3共同圍成內(nèi)部空腔，所述安裝板4將內(nèi)部空腔分割成第一空腔6和第二空腔7，所述安裝板上開設(shè)一個(gè)通口用于安裝振動(dòng)膜5；所述第一空腔對(duì)應(yīng)的出口板上開設(shè)有第一入口8、第一出口9；所述第二空腔對(duì)應(yīng)的出口板上開設(shè)有第二入口10、第二出口11；所述振動(dòng)膜設(shè)置在安裝板的通口處，用于隔開所述第一空腔和第二空腔。實(shí)施例中，各腔體板與出口板通過設(shè)置螺紋孔并使用螺栓進(jìn)行固定，也可以通過粘合或者通過模具制作為一體化結(jié)構(gòu)。振動(dòng)膜5采用壓電陶瓷膜片，位于兩空腔之間，壓電陶瓷膜片與安裝板之間設(shè)置有墊圈。

圖4是二維情況下自維持合成雙射流工作原理圖，為了在二維數(shù)值模擬中實(shí)現(xiàn)自維持合成雙射流的功能，圖中將自維持合成雙射流激勵(lì)器簡化為一個(gè)空腔、一個(gè)出口板和一個(gè)壓電陶瓷膜片，其中左側(cè)入口上標(biāo)有流程高壓區(qū)，右側(cè)出口上標(biāo)有流程低壓區(qū)，流體從高壓側(cè)流入激勵(lì)器并從低壓口噴出，形成自維持射流，壓電陶瓷膜片的振動(dòng)作用是增加射流能量，同時(shí)調(diào)制射流的頻率和渦量特征，由于在二維構(gòu)型中，無法實(shí)現(xiàn)振動(dòng)膜位于兩腔體中間的情況，所以將振動(dòng)膜簡化到激勵(lì)器底部，二維自維持合成雙射流的工作原理與三維自維持合成雙射流工作原理一致，都是利用超聲速/高超聲速進(jìn)氣道流場(chǎng)特性，將進(jìn)氣口布置于流程高壓區(qū)，出氣口安放于低壓區(qū)，由兩口之間壓差驅(qū)動(dòng)流動(dòng)形成自維持射流，合成雙射流激勵(lì)器膜片的振動(dòng)可以增加射流的能量，同時(shí)調(diào)制射流的頻率和渦量特征，實(shí)現(xiàn)對(duì)進(jìn)氣道流場(chǎng)控制。振動(dòng)膜位置的改變只是為了在二維空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)只維持合成雙射流的功能。

圖5為二維平面下自維持合成雙射流激勵(lì)器控制流場(chǎng)時(shí)內(nèi)部流場(chǎng)圖；從圖中的流線和壓力分布可以看出，氣體從高壓入口流入，從低壓出口流出，激勵(lì)器能夠形成自維持合成射流對(duì)超聲速流場(chǎng)進(jìn)行控制。

圖6是把自維持合成雙射流激勵(lì)器安放在超聲速進(jìn)氣道內(nèi)的二維簡圖。圖(a)為二維作用下進(jìn)氣道位置整體示意圖，圖(b)、圖(c)為不同情況下的局部放大圖。根據(jù)之前的研究結(jié)果可知，充分利用超聲速/高超聲速流場(chǎng)壓力梯度特征，進(jìn)氣口(即：第一入口、第二入口)安放于高壓區(qū)，出氣口(即：第一出口、第二出口)安放于低壓區(qū)。超聲速/高超聲速流場(chǎng)壓力分布梯度，主要是指超聲速/高超聲速流場(chǎng)正常流動(dòng)的順壓梯度、以及由于激波、流動(dòng)分離等非定常流動(dòng)現(xiàn)象導(dǎo)致的逆壓梯度，如云圖(b)、(c)所示。圖(b)利用流場(chǎng)的順壓梯度，本發(fā)明激勵(lì)器進(jìn)氣口位于進(jìn)氣道內(nèi)壓縮段分離泡的再附點(diǎn)，利用激波后形成的高壓區(qū)，而出氣口位于隔離段上，此處壓強(qiáng)較低，出口和入口之間形成壓力差；圖(c)利用逆壓梯度，本發(fā)明激勵(lì)器進(jìn)氣口位于進(jìn)氣道分離泡再附點(diǎn)，出氣口位于上游壓縮面內(nèi)，利用分離泡前后的壓力差。在壓電陶瓷膜片的振動(dòng)下，進(jìn)氣口吸入分離的低能量流體，出口噴出高動(dòng)能射流，達(dá)到控制進(jìn)氣道流場(chǎng)的效果。自維持合成雙射流激勵(lì)器產(chǎn)生的周期性自維持合成雙射流，利用自維持合成雙射流激勵(lì)器控制超聲速/高超聲速流場(chǎng)激波、激波邊界層干擾和流動(dòng)分離等流動(dòng)現(xiàn)象，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)超聲速/高超聲速流場(chǎng)的有效控制。對(duì)于本發(fā)明結(jié)構(gòu)的尺寸和出口與入口的關(guān)系，本發(fā)明自維持合成雙射流激勵(lì)器的尺寸和形狀并不是固定的，是可以根據(jù)受控流場(chǎng)的需要改變，但本發(fā)明一膜雙腔四出口的基本構(gòu)型和利用流場(chǎng)壓力梯度形成自維持合成雙射流對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行控制的基本思想是不變的。

以上所述，僅是本實(shí)施例，并非對(duì)本發(fā)明做任何限制。任何熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍的情況下，都可利用上述揭示的技術(shù)內(nèi)容對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案做出許多可能的變動(dòng)、修飾或修改為等同變化的等效實(shí)施例。因此，凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所做的任何簡單修改、等同變化及修飾，均應(yīng)落在本發(fā)明技術(shù)方案保護(hù)的范圍內(nèi)。