CN105257635B - 超声速流道中辅助边界层抽吸方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超声速流道中辅助边界层抽吸方法，将微型涡流发生器设于边界层内部，使包含有边界层流体在内的上游来流在向下游流动中随微型涡流发生器表面逐渐抬升；通过在微型涡流发生器上表面两侧设置后掠边缘，以使移动至后掠边缘的边界层的底层低速流体发生脱落并形成富含底层低速流体的流向涡，流向涡在边界层的上层高速流体带动下沿微型涡流发生器的两侧侧壁运动至微型涡流发生器的尾部；通过在微型涡流发生器尾部设置流体抽吸装置，以抽除传递至微型涡流发生器尾部的富含底层低速流体的流向涡，避免因边界层的底层低速流体的速度和能量过低而引发大尺度流动分离，同时保留边界层的上层高速流体，以减低流量损失。

Description

超声速流道中辅助边界层抽吸方法

技术领域

本发明涉及流动控制领域，特别地，涉及一种高速飞行器推进***内部超声速流道中辅助边界层抽吸方法。

背景技术

边界层分离是从普通低速飞行器到超声速、高超声速飞行器气动表面及发动机内流道中存在的普遍现象。边界层分离的出现通常造成飞行器气动阻力的迅速增加以及升力特性的急剧恶化，大尺度的非定常流动分离可加剧机体结构的疲劳和破坏。超声速及高超声速飞行器内流道中激波与边界层相互作用诱发的大尺度边界层分离是飞行器进气道性能不足甚至无法启动的重要原因。因而边界层分离抑制是当前超声速、高超声速飞行设计中需要解决的重要问题。目前边界层抽吸是飞行器设计中主流的边界层流动控制手段。近壁区边界层流体速度从壁面向外逐渐由零增大至主流速度，工程应用中期望通过流动控制技术将其底层一部分低速、低能流体抽除以提高边界层的整体动量水平，进而提高边界层抗反压能力，从而达到抑制或减弱壁面分离的效果，而与此同时尽可能保留其上层高速部分以降低流量损失。

然而实际应用中发现在超声速和高超声速飞行器内流道中激波诱导的逆压梯度及由此造成的边界层分离通常较为强烈。为保证进气道能够顺利启动，通常需要抽吸掉很大一部分捕获流量(甚至到20％)才能起到明显的控制效果。这对进气道捕获流量造成了极大浪费，严重制约了高速飞行器推进***的整体性能。然而，事实上超声速边界层中底层低速区仅占整个边界层厚度的很小一部分，通常在距离壁面10％边界层厚度高度位置上流体平均速度已达主流速度的70％以上，加之超声速边界层底层温度较高、密度较小，在边界层抽吸控制中真正需要抽除的底层低速流体实际仅占边界层质量流量的很小一部分。问题在于传统的壁面开孔、开槽抽等边界层抽吸方式中，抽除掉的大部分气体流量实际来源于被误抽除的外部高速气流。这是由于传统的边界层抽吸方法对边界层流体进行的是无差别抽吸，即对抽吸孔(或槽)位置附近的高、底层低速流体均进行抽吸，而对远离抽吸孔位置的边界层中底层低速流体抽除效果却较差。在此状况下，为达到特定的边界层抽吸控制效果不得不增大整体的抽吸量，从而抽除了抽吸孔附近相当一部分高速流，造成有效捕获流量的极大浪费，并降低了发动机整体性能。

发明内容

本发明提供了一种超声速流道中辅助边界层抽吸方法，以解决传统的壁面开孔、开槽等直接边界层抽吸方式存在的抽吸效果差、有效捕获流量浪费严重、制约发动机整体性能提升的技术问题。

本发明提供一种超声速流道中辅助边界层抽吸方法，超声速流道中近壁区边界层内流体速度从壁面向外逐渐由零增大至超声速主流速度，超声速流道中靠近壁面的区域为边界层流体，边界层流体中紧邻壁面的流体为底层低速流体，边界层流体中靠近超声速主流部分的流体为上层高速流体，将微型涡流发生器设于边界层内部，以通过流动控制技术将边界层的底层低速流体抽除，避免因边界层的底层低速流体的速度和能量过低而引发大尺度流动分离，同时保留边界层上层高速流体，以减低流量损失。

进一步地，流动控制技术包括：通过微型涡流发生器使包含有边界层流体在内的上游来流在向下游流动的同时随微型涡流发生器表面逐渐抬升；通过在微型涡流发生器上表面两侧设置后掠边缘，以使移动至后掠边缘的边界层中底层低速流体发生脱落并形成富含底层低速流体的流向涡，从而达到底层低速流体收集的目的；流向涡在边界层上层高速流体带动下沿微型涡流发生器的两侧侧壁运动至微型涡流发生器的尾部；通过在微型涡流发生器尾部设置流体抽吸装置，以抽除传递至微型涡流发生器尾部的富含底层低速流体的流向涡，从而达到集中抽除边界层中底层低速流体的目的。

进一步地，运动至微型涡流发生器两侧后掠边缘附近的边界层中上层高速流体在膨胀波作用下仅发生流体方向的偏折而不脱落，从而绕过微型涡流发生器继续向下游流动而不被误抽除。

进一步地，微型涡流发生器采用后掠三角翼构型的微型涡流发生器；后掠三角翼具有一条来流边，来流边垂直于边界层流体的来流方向布置，与来流边相对应的后掠三角翼的顶角朝向边界层流体的流动下游方向布置。

进一步地，微型涡流发生器以阵列形式紧密排列布置于超声速流道的壁面上。

进一步地，边界层中底层低速流体与上层高速流体之间的分隔界线由来流条件以及微型涡流发生器结构特性决定。

进一步地，后掠三角翼的垂直高度h小于边界层厚度δ，以将微型涡流发生器的作用区域控制在来流边界层流体内部，从而降低边界层流体在流动控制过程中引入的额外气动阻力。

进一步地，通过改变微型涡流发生器的侧边弦长C以及微型涡流发生器的半顶角角度Ap，以改变对边界层流体边界层中底层低速流体和上层高速流体的划分界线，进而改变被收集的边界层中底层低速流体所占边界层流体的比例，从而实现对最终被流体抽吸装置抽除的边界层中底层低速流体流量的控制。

进一步地，通过微型涡流发生器的半顶角角度调整后掠边缘的后掠角的角度，以调整垂直于后掠边缘方向上的速度分量和垂直马赫数分量；以垂直马赫数分量大于1.0为界线，以保证后掠边缘附近的上层高速流体中膨胀波的存在，并且以此作为上层高速流体与底层低速流体的划分标准。

进一步地，流体抽吸装置的抽吸口采用可避免微型涡流发生器尾部出现明显流体分离的外大内小的漏斗状结构。

进一步地，抽吸口的外口直径与流向涡的直径相匹配，以保证被收集的底层低速流体可被迅速、有效抽除。

本发明具有以下有益效果：

利用微型涡流发生器独特的底层低速流体收集效应对需抽除的超声速边界层底层低速流体进行预先收集，从而实现精确、高效的边界层抽除。与传统的无差别壁面边界层抽吸方式相比，在抽除边界层底层低速流体的同时可保证边界层上层高速流体不受影响，因而在达到同样的边界层流体动量恢复水平的前提下，需要抽除的流体质量流量大大减小，质量流量损失甚至可以忽略，从而以较低的代价显著提高边界层整体动量水平，提高边界层抗反压能力，抑制边界层分离。因而本发明将显著提高壁面边界层控制的效率，并减小因壁面抽吸造成的质量流量损失，可显著改善高超声速/高超声速飞行器进气道启动性能及整个推进***性能。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明优选实施例的超声速流道中辅助边界层抽吸方法的工作原理图；

图2是本发明优选实施例的微型涡流发生器构型示意图；

图3是本发明优选实施例的微型涡流发生器侧边缘附近流体速度分解示意图。

图例说明：

1、边界层流体；2、微型涡流发生器；3、底层低速流体；4、上层高速流体；5、流向涡；6、抽吸口；7、流体抽吸装置。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由所限定和覆盖的多种不同方式实施。

图1是本发明优选实施例的超声速流道中辅助边界层抽吸方法的工作原理图；图2是本发明优选实施例的微型涡流发生器构型示意图；图3是本发明优选实施例的微型涡流发生器侧边缘附近流体速度分解示意图。

如图1所示，本实施例的超声速流道中辅助边界层抽吸方法，超声速流道中近壁区边界层内流体速度从壁面向外逐渐由零增大至超声速主流速度，超声速流道中靠近壁面的区域为边界层流体1，边界层流体1中紧邻壁面的流体为底层低速流体3，边界层流体1中靠近超声速主流部分的流体为上层高速流体4，将微型涡流发生器2设于边界层内部，以通过流动控制技术将边界层的底层低速流体3抽除，避免因边界层的底层低速流体3的速度和能量过低而引发大尺度流动分离，同时保留边界层上层高速流体4，以减低流量损失。利用微型涡流发生器独特的底层低速流体收集效应对需抽除的超声速边界层底层低速流体进行预先收集，从而实现精确、高效的边界层抽除。与传统的无差别壁面边界层抽吸方式相比，在抽除边界层底层低速流体的同时可保证边界层上层高速流体不受影响，因而在达到同样的边界层流体动量恢复水平的前提下，需要抽除的流体质量流量大大减小，质量流量损失甚至可以忽略，从而以较低的代价显著提高边界层整体动量水平，提高边界层抗反压能力，抑制边界层分离。因而本发明将显著提高壁面边界层控制的效率，并减小因壁面抽吸造成的质量流量损失，可显著改善高超声速/高超声速飞行器进气道启动性能及整个推进***性能。

如图1、图2和图3所示，本实施例中，流动控制技术包括：通过微型涡流发生器2使包含有边界层流体1在内的上游来流在向下游流动的同时随微型涡流发生器2表面逐渐抬升；通过在微型涡流发生器2上表面两侧设置后掠边缘，以使移动至后掠边缘的边界层底层低速流体3发生脱落并形成富含底层低速流体3的流向涡5，从而达到底层低速流体3收集的目的；流向涡5在边界层上层高速流体4带动下沿微型涡流发生器2的两侧侧壁运动至微型涡流发生器2的尾部；通过在微型涡流发生器2尾部设置流体抽吸装置7，以抽除传递至微型涡流发生器2尾部的富含底层低速流体3的流向涡5，从而达到集中抽除边界层中底层低速流体3的目的。

本实施例的超声速流道中辅助边界层抽吸方法，微型涡流发生器2处于超声速流道近壁区来流边界层流体1的底层，微型涡流发生器2使流经它的边界层流体1(包含底层低速流体3和上层高速流体4)随微其上表面逐渐抬升并运动至其侧边缘附近；微型涡流发生器2上表面后掠的侧边缘使运动至此的底层低速流体3脱落并形成流向涡5，流向涡5及其所裹挟底层低速流体3沿微型涡流发生器2的侧壁运动至微型涡流发生器2的尾部，从效果上看原本处于边界层底层的底层低速流体3在流经微型涡流发生器2后均被收集于涡流发生器尾部，从而达到底层低速流体预收集效果；而后通过设置在微型涡流发生器2尾部的流体抽吸装置7对传递至此的流向涡5及其所包含的底层低速流体进行集中、高效地抽除；与此同时，边界层的上层高速流体4不会在涡流发生器侧边缘直接脱落，而是在膨胀波作用下发生流向偏折并绕过微型涡流发生器2侧边缘继续向下游运动，形成能量水平更高的新边界层，达到流动控制目的。

如图1、图2和图3所示，本实施例中，运动至微型涡流发生器2两侧后掠边缘附近的边界层中上层高速流体4在膨胀波作用下仅发生流体方向的偏折而不脱落，从而绕过微型涡流发生器2继续向下游流动而不被误抽除。

如图1、图2和图3所示，本实施例中，微型涡流发生器2采用后掠三角翼构型的微型涡流发生器；后掠三角翼具有一条来流边，来流边垂直于边界层流体1的来流方向布置，与来流边相对应的后掠三角翼的顶角朝向边界层流体1的流动下游方向布置。

如图1、图2和图3所示，本实施例中，微型涡流发生器2以阵列形式紧密排列布置于超声速流道的壁面上。

如图1、图2和图3所示，本实施例中，边界层中底层低速流体3与上层高速流体4之间的界线由来流条件以及微型涡流发生器2结构特性共同决定。

如图1、图2和图3所示，本实施例中，后掠三角翼的垂直高度h小于边界层厚度δ，以将微型涡流发生器2的作用区域控制在来流边界层流体1内部，从而降低边界层流体1在流动控制过程中引入的额外气动阻力。

如图1、图2和图3所示，本实施例中，通过改变微型涡流发生器2的侧边弦长C以及微型涡流发生器2的半顶角角度Ap，以改变对边界层流体1中底层低速流体3和上层高速流体4的划分界线，进而改变被收集的边界层底层低速流体3所占边界层流体1的比例，从而实现对最终被流体抽吸装置7抽除的边界层底层低速流体3流量的控制。

如图1、图2和图3所示，本实施例中，通过微型涡流发生器2的半顶角角度调整后掠边缘的后掠角的角度，以调整垂直于后掠边缘方向上的速度分量U_n和相应的垂直马赫数分量。以垂直马赫数分量大于1.0为界线，以保证后掠边缘附近的上层高速流体4中膨胀波的存在，并且以此作为上层高速流体4与底层低速流体3的划分标准。

如图1、图2和图3所示，本实施例中，流体抽吸装置7的抽吸口6采用可避免微型涡流发生器2尾部出现明显流体分离的外大内小的漏斗状结构。

如图1、图2和图3所示，抽吸口6的外口直径与流向涡5的直径相匹配，以保证被收集的底层低速流体3可被迅速、有效抽除。

实施时，本发明涉及一种超声速流道中的辅助边界层抽吸方法。其原理为在超声速边界层抽吸之前，利用近壁流体在微型涡流发生器2侧边缘脱落形成的尾流分层机制对超声速边界层底部的底层低速流体3预先进行收集，随后对尾流中收集的低速气流进行集中抽吸。从效果上看，本发明在边界层抽吸实施之前对边界层流体1的上层高速流体4、底层低速流体3分布预先进行调整，将在边界层抽吸中真正需要抽除的近壁的底层低速流体3集中于微型涡流发生器2尾端很小的区域之内，然后再进行集中抽吸，实现对壁面边界层的底层低速流体3的精确抽吸。与传统的无差别壁面边界层抽吸方式相比，在抽除边界层底层低速流体3的同时可保证边界层上层高速流体4不受影响，因而在达到同样的边界层流体1动量恢复水平的前提下，需要抽除的流体质量流量大大减小，质量流量损失甚至可以忽略。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种超声速流道中辅助边界层抽吸方法，

超声速流道中近壁区边界层内流体速度从壁面向外逐渐由零增大至超声速主流速度，

所述超声速流道中靠近壁面的区域为边界层流体(1)，

所述边界层流体(1)中紧邻壁面的流体为底层低速流体(3)，所述边界层流体(1)中靠近超声速主流部分的流体为上层高速流体(4)，

其特征在于，

将微型涡流发生器(2)设于边界层内部，以通过流动控制技术将边界层的所述底层低速流体(3)抽除，避免因边界层的底层低速流体(3)的速度和能量过低而引发大尺度流动分离，同时保留边界层的上层高速流体(4)，以减低流量损失；

所述流动控制技术包括：通过所述微型涡流发生器(2)使包含有所述边界层流体(1)在内的上游来流在向下游流动的同时随所述微型涡流发生器(2)表面逐渐抬升；

通过在所述微型涡流发生器(2)上表面两侧设置后掠边缘，以使移动至后掠边缘的边界层的所述底层低速流体(3)发生脱落并形成富含所述底层低速流体(3)的流向涡(5)，从而达到底层低速流体(3)收集的目的；

所述流向涡(5)在边界层的上层高速流体(4)带动下沿所述微型涡流发生器(2)的两侧侧壁运动至所述微型涡流发生器(2)的尾部；

通过在所述微型涡流发生器(2)尾部设置流体抽吸装置(7)，以抽除传递至所述微型涡流发生器(2)尾部的富含所述底层低速流体(3)的所述流向涡(5)，从而达到集中抽除边界层中所述底层低速流体(3)的目的。

2.根据权利要求1所述的超声速流道中辅助边界层抽吸方法，其特征在于，

运动至所述微型涡流发生器(2)两侧后掠边缘附近的边界层中所述上层高速流体(4)在膨胀波作用下仅发生流体方向的偏折而不脱落，从而绕过所述微型涡流发生器(2)继续向下游流动而不被误抽除。

3.根据权利要求1所述的超声速流道中辅助边界层抽吸方法，其特征在于，

所述微型涡流发生器(2)采用后掠三角翼构型的微型涡流发生器；

所述后掠三角翼具有一条来流边，

所述来流边垂直于所述边界层流体(1)的来流方向布置，

与所述来流边相对应的后掠三角翼的顶角朝向所述边界层流体(1)的流动下游方向布置。

4.根据权利要求3所述的超声速流道中辅助边界层抽吸方法，其特征在于，

所述微型涡流发生器(2)以阵列形式紧密排列布置于所述超声速流道的壁面上。

5.根据权利要求3所述的超声速流道中辅助边界层抽吸方法，其特征在于，

边界层的所述底层低速流体(3)与边界层的所述上层高速流体(4)之间的界线由来流条件以及所述微型涡流发生器(2)结构特性决定。

6.根据权利要求5所述的超声速流道中辅助边界层抽吸方法，其特征在于，

所述后掠三角翼的垂直高度h小于边界层厚度δ，以将所述微型涡流发生器(2)的作用区域控制在来流所述边界层流体(1)内部，从而降低所述边界层流体(1)在流动控制过程中引入的额外气动阻力。

7.根据权利要求5所述的超声速流道中辅助边界层抽吸方法，其特征在于，

通过改变所述微型涡流发生器(2)的侧边弦长C以及所述微型涡流发生器(2)的半顶角角度Ap，以改变对所述边界层流体(1)中所述底层低速流体(3)和所述上层高速流体(4)的划分界线，

进而改变被收集的边界层所述底层低速流体(3)所占所述边界层流体(1)的比例，从而实现对最终被所述流体抽吸装置(7)抽除的边界层所述底层低速流体(3)流量的控制。

8.根据权利要求7所述的超声速流道中辅助边界层抽吸方法，其特征在于，

通过所述微型涡流发生器(2)的半顶角角度调整后掠边缘的后掠角的角度，以调整垂直于后掠边缘方向上的速度分量和垂直马赫数分量；

以垂直马赫数分量大于1.0为界线，以保证后掠边缘附近的所述上层高速流体(4)中膨胀波的存在，并且以此作为所述上层高速流体(4)与所述底层低速流体(3)的划分标准。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的超声速流道中辅助边界层抽吸方法，其特征在于，

所述流体抽吸装置(7)的抽吸口(6)采用可避免所述微型涡流发生器(2)尾部出现明显流体分离的外大内小的漏斗状结构。

10.根据权利要求9所述的超声速流道中辅助边界层抽吸方法，其特征在于，

所述抽吸口(6)的外口直径与流向涡(5)的直径相匹配，以保证被收集的所述底层低速流体(3)可被迅速、有效抽除。