超聲速流道中輔助邊界層抽吸方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及流動(dòng)控制領(lǐng)域，特別地，涉及一種高速飛行器推進(jìn)系統(tǒng)內(nèi)部超聲速流道中輔助邊界層抽吸方法。
【背景技術(shù)】
[0002]邊界層分離是從普通低速飛行器到超聲速、高超聲速飛行器氣動(dòng)表面及發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)流道中存在的普遍現(xiàn)象。邊界層分離的出現(xiàn)通常造成飛行器氣動(dòng)阻力的迅速增加以及升力特性的急劇惡化，大尺度的非定常流動(dòng)分離可加劇機(jī)體結(jié)構(gòu)的疲勞和破壞。超聲速及高超聲速飛行器內(nèi)流道中激波與邊界層相互作用誘發(fā)的大尺度邊界層分離是飛行器進(jìn)氣道性能不足甚至無法啟動(dòng)的重要原因。因而邊界層分離抑制是當(dāng)前超聲速、高超聲速飛行設(shè)計(jì)中需要解決的重要問題。目前邊界層抽吸是飛行器設(shè)計(jì)中主流的邊界層流動(dòng)控制手段。近壁區(qū)邊界層流體速度從壁面向外逐漸由零增大至主流速度，工程應(yīng)用中期望通過流動(dòng)控制技術(shù)將其底層一部分低速、低能流體抽除以提高邊界層的整體動(dòng)量水平，進(jìn)而提高邊界層抗反壓能力，從而達(dá)到抑制或減弱壁面分離的效果，而與此同時(shí)盡可能保留其上層高速部分以降低流量損失。
[0003]然而實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)在超聲速和高超聲速飛行器內(nèi)流道中激波誘導(dǎo)的逆壓梯度及由此造成的邊界層分離通常較為強(qiáng)烈。為保證進(jìn)氣道能夠順利啟動(dòng)，通常需要抽吸掉很大一部分捕獲流量(甚至到20%)才能起到明顯的控制效果。這對進(jìn)氣道捕獲流量造成了極大浪費(fèi)，嚴(yán)重制約了高速飛行器推進(jìn)系統(tǒng)的整體性能。然而，事實(shí)上超聲速邊界層中底層低速區(qū)僅占整個(gè)邊界層厚度的很小一部分，通常在距離壁面10%邊界層厚度高度位置上流體平均速度已達(dá)主流速度的70 %以上，加之超聲速邊界層底層溫度較高、密度較小，在邊界層抽吸控制中真正需要抽除的底層低速流體實(shí)際僅占邊界層質(zhì)量流量的很小一部分。問題在于傳統(tǒng)的壁面開孔、開槽抽等邊界層抽吸方式中，抽除掉的大部分氣體流量實(shí)際來源于被誤抽除的外部高速氣流。這是由于傳統(tǒng)的邊界層抽吸方法對邊界層流體進(jìn)行的是無差別抽吸，即對抽吸孔(或槽)位置附近的高、底層低速流體均進(jìn)行抽吸，而對遠(yuǎn)離抽吸孔位置的邊界層中底層低速流體抽除效果卻較差。在此狀況下，為達(dá)到特定的邊界層抽吸控制效果不得不增大整體的抽吸量，從而抽除了抽吸孔附近相當(dāng)一部分高速流，造成有效捕獲流量的極大浪費(fèi)，并降低了發(fā)動(dòng)機(jī)整體性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明提供了一種超聲速流道中輔助邊界層抽吸方法，以解決傳統(tǒng)的壁面開孔、開槽等直接邊界層抽吸方式存在的抽吸效果差、有效捕獲流量浪費(fèi)嚴(yán)重、制約發(fā)動(dòng)機(jī)整體性能提升的技術(shù)問題。
[0005]本發(fā)明提供一種超聲速流道中輔助邊界層抽吸方法，超聲速流道中近壁區(qū)邊界層內(nèi)流體速度從壁面向外逐漸由零增大至超聲速主流速度，超聲速流道中靠近壁面的區(qū)域?yàn)檫吔鐚恿黧w，邊界層流體中緊鄰壁面的流體為底層低速流體，邊界層流體中靠近超聲速主流部分的流體為上層高速流體，將微型渦流發(fā)生器設(shè)于邊界層內(nèi)部，以通過流動(dòng)控制技術(shù)將邊界層的底層低速流體抽除，避免因邊界層的底層低速流體的速度和能量過低而引發(fā)大尺度流動(dòng)分離，同時(shí)保留邊界層上層高速流體，以減低流量損失。
[0006]進(jìn)一步地，流動(dòng)控制技術(shù)包括:通過微型渦流發(fā)生器使包含有邊界層流體在內(nèi)的上游來流在向下游流動(dòng)的同時(shí)隨微型渦流發(fā)生器表面逐漸抬升；通過在微型渦流發(fā)生器上表面兩側(cè)設(shè)置后掠邊緣，以使移動(dòng)至后掠邊緣的邊界層中底層低速流體發(fā)生脫落并形成富含底層低速流體的流向渦，從而達(dá)到底層低速流體收集的目的；流向渦在邊界層上層高速流體帶動(dòng)下沿微型渦流發(fā)生器的兩側(cè)側(cè)壁運(yùn)動(dòng)至微型渦流發(fā)生器的尾部；通過在微型渦流發(fā)生器尾部設(shè)置流體抽吸裝置，以抽除傳遞至微型渦流發(fā)生器尾部的富含底層低速流體的流向渦，從而達(dá)到集中抽除邊界層中底層低速流體的目的。
[0007]進(jìn)一步地，運(yùn)動(dòng)至微型渦流發(fā)生器兩側(cè)后掠邊緣附近的邊界層中上層高速流體在膨脹波作用下僅發(fā)生流體方向的偏折而不脫落，從而繞過微型渦流發(fā)生器繼續(xù)向下游流動(dòng)而不被誤抽除。
[0008]進(jìn)一步地，微型渦流發(fā)生器采用后掠三角翼構(gòu)型的微型渦流發(fā)生器；后掠三角翼具有一條來流邊，來流邊垂直于邊界層流體的來流方向布置，與來流邊相對應(yīng)的后掠三角翼的頂角朝向邊界層流體的流動(dòng)下游方向布置。
[0009]進(jìn)一步地，微型渦流發(fā)生器以陣列形式緊密排列布置于超聲速流道的壁面上。
[0010]進(jìn)一步地，邊界層中底層低速流體與上層高速流體之間的分隔界線由來流條件以及微型渦流發(fā)生器結(jié)構(gòu)特性決定。
[0011]進(jìn)一步地，后掠三角翼的垂直高度h小于邊界層厚度δ，以將微型渦流發(fā)生器的作用區(qū)域控制在來流邊界層流體內(nèi)部，從而降低邊界層流體在流動(dòng)控制過程中引入的額外氣動(dòng)阻力。
[0012]進(jìn)一步地，通過改變微型渦流發(fā)生器的側(cè)邊弦長C以及微型渦流發(fā)生器的半頂角角度Αρ，以改變對邊界層流體邊界層中底層低速流體和上層高速流體的劃分界線，進(jìn)而改變被收集的邊界層中底層低速流體所占邊界層流體的比例，從而實(shí)現(xiàn)對最終被抽吸裝置抽除的邊界層中底層低速流體流量的控制。
[0013]進(jìn)一步地，通過微型渦流發(fā)生器的半頂角角度調(diào)整后掠邊緣的后掠角的角度，以調(diào)整垂直于后掠邊緣方向上的速度分量和垂直馬赫數(shù)分量；以垂直馬赫數(shù)分量大于1.0為界線，以保證后掠邊緣附近的上層高速流體中膨脹波的存在，并且以此作為上層高速流體與底層低速流體的劃分標(biāo)準(zhǔn)。
[0014]進(jìn)一步地，抽吸裝置的抽吸口采用可避免微型渦流發(fā)生器尾部出現(xiàn)明顯流體分離的外大內(nèi)小的漏斗狀結(jié)構(gòu)。
[0015]進(jìn)一步地，抽吸口的外口直徑與流向渦的直徑相匹配，以保證被收集的底層低速流體可被迅速、有效抽除。
[0016]本發(fā)明具有以下有益效果:
[0017]利用微型渦流發(fā)生器獨(dú)特的底層低速流體收集效應(yīng)對需抽除的超聲速邊界層底層低速流體進(jìn)行預(yù)先收集，從而實(shí)現(xiàn)精確、高效的邊界層抽除。與傳統(tǒng)的無差別壁面邊界層抽吸方式相比，在抽除邊界層底層低速流體的同時(shí)可保證邊界層上層高速流體不受影響，因而在達(dá)到同樣的邊界層流體動(dòng)量恢復(fù)水平的前提下，需要抽除的流體質(zhì)量流量大大減小，質(zhì)量流量損失甚至可以忽略，從而以較低的代價(jià)顯著提高邊界層整體動(dòng)量水平，提高邊界層抗反壓能力，抑制邊界層分離。因而本發(fā)明將顯著提高壁面邊界層控制的效率，并減小因壁面抽吸造成的質(zhì)量流量損失，可顯著改善高超聲速/高超聲速飛行器進(jìn)氣道啟動(dòng)性能及整個(gè)推進(jìn)系統(tǒng)性能。
[0018]除了上面所描述的目的、特征和優(yōu)點(diǎn)之外，本發(fā)明還有其它的目的、特征和優(yōu)點(diǎn)。下面將參照圖，對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。
【附圖說明】
[0019]構(gòu)成本申請的一部分的附圖用來提供對本發(fā)明的進(jìn)一步理解，本發(fā)明的示意性實(shí)施例及其說明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對本發(fā)明的不當(dāng)限定。在附圖中:
[0020]圖1是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的超聲速流道中輔助邊界層抽吸方法的工作原理圖；
[0021]圖2是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的微型渦流發(fā)生器構(gòu)型示意圖；
[0022]圖3是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的微型渦流發(fā)生器側(cè)邊緣附近流體速度分解示意圖。
[0023]圖例說明:
[0024]1、邊界層流體；2、微型渦流發(fā)生器；3、底層低速流體；4、上層高速流體；5、流向渦；6、抽吸口 ；7、抽吸裝置。
【具體實(shí)施方式】
[0025]以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)說明，但是本發(fā)明可以由所限定和覆蓋的多種不同方式實(shí)施。
[0026]圖1是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的超聲速流道中輔助邊界層抽吸方法的工作原理圖；圖2是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的微型渦流發(fā)生器構(gòu)型示意圖；圖3是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的微型渦流發(fā)生器側(cè)邊緣附近流體速度分解示意圖。
[0027]如圖1所示，本實(shí)施例的超聲速流道中輔助邊界層抽吸方法，超聲速流道中近壁區(qū)邊界層內(nèi)流體速度從壁面向外逐漸由零增大至超聲速主流速度，超聲速流道中靠近壁面的區(qū)域?yàn)檫吔鐚恿黧w1，邊界層流體1中緊鄰壁面的流體為底層低速流體3，邊界層流體1中靠近超聲速主流部分的流體為上層高速流體4，將微型渦流發(fā)生器2設(shè)于邊界層內(nèi)部，以通過流動(dòng)控制技術(shù)將邊界層的底層低速流體3抽除，避免因邊界層的底層低速流體3的速度和能量過低而引發(fā)大尺度流動(dòng)分離，同時(shí)保留邊界層上層高速流體4，以減低流量損失。利用微型渦流發(fā)生器獨(dú)特的底層低速流體收集效應(yīng)對需抽除的超聲速邊界層底層低速流體進(jìn)行預(yù)先收集，從而實(shí)現(xiàn)精確、高效的邊界層抽除。與傳統(tǒng)的無差別壁面邊界層抽吸方式相比，在抽除邊界層底層低速流體的同時(shí)可保證邊界層上層高速流體不受影響，因而在達(dá)到同樣的邊界層流體動(dòng)量恢復(fù)水平的前提下，需要抽除的流體質(zhì)量流量大大減小，質(zhì)量流量損失甚至可以忽略，從而以較低的代價(jià)顯著提高邊界層整體動(dòng)量水平，提高邊界層抗反壓能力，抑制邊界層分離。因而本發(fā)明將顯著提高壁面邊界層控制的效率，并減小因壁面抽吸造成的質(zhì)量流量損失，可顯著改善高超聲速/高超聲速飛行器進(jìn)氣道啟動(dòng)性能及整個(gè)推進(jìn)系統(tǒng)性能。
[0028]如圖1、圖2和圖3所示，本實(shí)施例中，流動(dòng)控制技術(shù)包括:通過微型渦流發(fā)生器2使包含有邊界層流體1在內(nèi)的上游來流在向下游流動(dòng)的同時(shí)隨微型渦流發(fā)生器2表面逐漸抬升；通過在微型渦流發(fā)生器2上表面兩側(cè)設(shè)置后掠邊緣，以使移動(dòng)至后掠邊緣的邊界層底層低速流體3發(fā)生脫落并形成富含底層低速流體3的流向渦5，從而達(dá)到底層低速流體3收集的目的；流向渦5在邊界層上層高速流體4帶動(dòng)下沿微型渦流發(fā)生器2的兩側(cè)側(cè)壁運(yùn)動(dòng)至微型渦流發(fā)生器2的尾部；通過在微型渦流發(fā)生器2尾部設(shè)置流體抽吸裝置7，以抽除傳遞至微型渦流發(fā)生器2尾部的富含底層低速流體3的流向渦5，從而達(dá)到集中抽除邊界層中底層低速流體3的目的。
[0029]本實(shí)施例的超聲速