CN109896027A - 一种基于等离子体合成射流的鼓包进气道以及边界层控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于等离子体合成射流的鼓包进气道以及边界层控制方法。该鼓包进气道通过利用射流激励器产生的高速射流的动量效应向鼓包诱导的激波/边界层干扰区间内积聚的低能流补充能量促使其再附，同时射流带动鼓包前缘的低能流向鼓包两侧排移进而增强鼓包进气道的排移边界层能力，实现了对鼓包进气道的主动控制。激励器布置在鼓包下方或布置在机体下方，射流出口方向沿鼓包型线，或沿激励器出口型线。本发明解决传统鼓包进气道主动控制方法射流速度低、控制力不强、且需要额外气源的问题，为此类进气道的高效、宽包线工作提供通用、无源的主动流动控制方法。

Description

一种基于等离子体合成射流的鼓包进气道以及边界层控制 方法

技术领域

本发明属于超声速流动控制领域，特别涉及一种基于等离子体合成射流的超声速鼓包进气道以及入口边界层控制方法。

背景技术

Bump进气道是一种新型进气道，Bump进气道可以不采用附面层隔道、吹除/抽吸措施也可获得良好性能。Bump进气道的关键部件是其鼓包压缩面，其型面通常通过超声速无黏单级圆锥流场采用流线追踪设计所得。虽然与传统的进气道相比，Bump进气道具有诸多优势，但在实际工作过程中，进气道前缘不可避免的存在鼓包诱导的激波/机体边界层干扰，该干扰的存在将导致大量的低能流堆积于鼓包前缘，改变鼓包的气动型面，导致鼓包诱导波系偏离设计状态，削弱鼓包对边界层的排移能力，降低进气道性能。因此对鼓包诱导流场曲面激波/边界层干扰特性控制方法的研究是十分必要的。

为进一步提高鼓包进气道的性能，目前对于鼓包进气道控制方法的研究主要集中在对鼓包壁面型面的优化方面，这种研究中通过使用性能更佳的鼓包基准流场及设计方法生成鼓包型面从而改善进气道前缘激波边界层干扰带来的不利影响，进而提高进气道性能。但这种方法并没有回避在高马赫数状态下工作时进气道诱导的激波边界层干扰所产生的复杂的流场结构会改变鼓包气动型面，使鼓包偏离设计状态的问题。因为，为保证进气道在整个包线范围内均能高效稳定的工作，针对高马赫数设计的进气道采用基于边界层放气的激波边界层控制措施是十分必要的。在使用带边界层放气处理的鼓包进气道后，FC-1枭龙战斗机的最大飞行马赫数可达1.8。然而由于边界层放气技术是一种有源控制技术，将消耗进气道的捕获流量，并且设置复杂的放气结构会增加鼓包的重量并产生放气阻力进而削弱了鼓包带来的重量和结构上的优势。

基于合成射流的流动控制技术是主动流动控制技术中的一种，其可以在无质量输出的前提下周期性地向外输出动量，故又被称为零质量射流技术。其中火花放电等离子激励器仅需消耗电能，无机械活动部件，属于零质量射流技术，火花放电等离子激励器的迅速发展为高速流动控制提供了强有力的手段。在激波/边界层控制方面射流激励器也体现出了出色的控制能力。因此，使用等离子体合成射流技术来实现对鼓包进气道诱导激波边界层干扰作用导致的分离区边界层控制，能够解决传统超声速进气道主动控制方法射流速度低、控制力不强、且需要额外气源的问题，在消除附加质量优化结构等方面具有巨大的优势。

发明内容

发明目的：为促进鼓包进气道排移边界层，提高鼓包进气道性能，本发明提出了一种基于等离子体合成射流的鼓包进气道。

本发明同时提供了使用本发明鼓包进气道的边界层控制方法。

技术方案：本发明可采用以下技术方案：

一种基于等离子体合成射流的鼓包进气道，包括内通道表面、唇罩、鼓包型面、机体平面；所述唇罩位于内通道表面外侧，且唇罩表面与内通道表面形成进气道的内通道；所述鼓包型面作为连接内通道表面与机体平面之间的连接面，且鼓包型面相对于机体平面向外形成鼓包；其特征在于，还设置有至少一个射流激励器，所述射流激励器布置在鼓包型面下方和机体平面下方；

射流激励器布置在鼓包型面下方，则射流激励器的射流出口布置在鼓包表面和/或鼓包型面前缘；若射流出口布置在鼓包表面，射流出口方向沿鼓包型线设置；若射流出口布置在鼓包型面前缘，射流方向沿激励器出口型线设置；

射流激励器布置在机体平面下方，则射流激励器应布置于鼓包诱导的曲面激波/边界层干扰区间内，射流激励器的射流出口布置于机体平面上，射流出口方向沿射流激励器出口型线方向设置。

进一步的，射流激励器布置方向与超声速来流方向夹角为0～90°。

进一步的，所述射流激励器为两电极水平式等离子体合成射流激励器。

进一步的，射流激励器展向位置不超过唇罩边缘。

另外，本发明的鼓包进气道还可采用以下技术方案：

一种基于等离子体合成射流的鼓包进气道，包括内通道表面、唇罩、鼓包型面、机体平面；所述唇罩位于内通道表面外侧，且唇罩与内通道表面之间形成进气道的内通道；所述鼓包型面作为连接内通道表面与机体平面之间的连接面，且鼓包型面相对于机体平面向外形成鼓包；还设置有至少一个射流激励器，所述射流激励器布置在鼓包型面下方或机体平面下方；

若射流激励器布置在鼓包型面下方，则射流激励器的射流出口布置在鼓包表面和/或鼓包型面前缘；若射流出口布置在鼓包表面，射流出口方向沿鼓包型线设置，且射流激励器展向位置不超过唇罩边缘；若射流出口布置在鼓包型面前缘，射流方向沿激励器出口型线设置，且射流激励器展向位置不超过唇罩边缘；

若射流激励器布置在机体平面下方，则射流激励器应布置于鼓包诱导的曲面激波/边界层干扰区间内，射流激励器的射流出口布置于机体平面上，射流出口方向沿射流激励器出口型线方向设置，且射流激励器展向位置不超过唇罩边缘。

进一步的，所述射流激励器为两电极水平式射流激励器；射流激励器展向位置不超过唇罩边缘。

本发明提供的使用上述鼓包进气道的边界层控制方法可采用以下技术方案，包括以下步骤：

(1)根据鼓包进气道流场布置射流激励器位置及角度；

(2)当进气道在设计马赫数工作时，接通射流激励器，激励器腔体内气体膨胀并喷出高速射流进而对对鼓包诱导激波边界层干扰区间内注入动量；

(3)高速射流对鼓包前缘低能流施加流向以及展向的扰动，使低能流向鼓包两侧排移。

有益效果：与现有技术相比，本发明利用了具有高温度高动量的等离子合成射流对鼓包前缘低能流施加横向以及展向的扰动，借助等离子体射流的动量效应向曲面激波边界层干扰区内积聚的低能流补充动量，使低能流周期性地具有一定的流向和展向速度并向鼓包两侧排移，增强了鼓包排移边界层能力，抑制了鼓包前缘曲面激波/边界层干扰诱导产生的分离区的尺度，减小了边界层的总压损失和流动损失并且降低了鼓包的压差阻力和摩擦阻力，提高了鼓包进气道的性能。由于该方法可以在无质量输出的前提下周期性地向外输出动量，因此，使用等离子体合成射流技术来实现对鼓包进气道诱导激波边界层干扰作用导致的分离区边界层控制，在消除附加质量优化结构等方面具有巨大的优势。

附图说明

图1是本发明实施例一鼓包进气道的俯视图。

图2是本发明实施例一鼓包进气道的剖面示意图。

图3是本发明实施例二鼓包进气道的俯视图。

图4是本发明实施例二鼓包进气道的剖面示意图。

图5是本发明实施例三鼓包进气道的俯视图。

图6是本发明实施例三鼓包进气道的剖面示意图。

图7是本发明鼓包进气道工作的不同时刻下鼓包壁面某截面处在有无添加射流时对称面边界层速度剖面变化情况。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

实施例一

请结合图1及图2所示，为本发明提供的一种基于等离子体合成射流的鼓包进气道的一种实施例。该鼓包进气道包括内通道表面4、唇罩3、鼓包型面2、机体平面5。所述唇罩3位于内通道表面4外侧，且唇罩3与内通道表面4之间形成进气道的内通道。所述鼓包型面2作为连接内通道表面4与机体平面5之间的连接面，且鼓包型面2相对于机体平面5向外形成鼓包。在该实施方式中，还设置有若干射流激励器1，所述射流激励器1布置在鼓包型面下方和机体平面下方。其中：

射流激励器1布置在鼓包型面2下方，则射流激励器1的射流出口布置在鼓包表面和/或鼓包型面前缘；若射流出口布置在鼓包表面，射流出口方向沿鼓包型线设置，且射流激励器展向位置不超过唇罩边缘；若射流出口布置在鼓包型面前缘，射流方向沿激励器出口型线设置；

射流激励器1布置在机体平面5下方，则射流激励器1应布置于鼓包诱导的曲面激波/边界层干扰区间内，射流激励器的射流出口布置于机体平面5上，射流出口方向沿射流激励器出口型线方向设置。

如图1所示，射流激励器1布置方向与超声速来流方向夹角θ为0～90°。射流激励器展向位置(即图1中俯视视角下的箭头A方向为展向)不超过唇罩边缘B。

所述等离子体合成射流激励器为两电极水平动量注入式等离子体合成射流激励器，所述等离子体合成射流激励器或为一个、或为一组等离子体合成射流激励器阵列，激励器由直流电源、放电电容、激励器正极、激励器负极、激励器腔体和激励器出口组成。每次脉冲放电向激励器注入的能量根据公式求得：

其中ts为放电开始时间，te为放电截止时间，U(t)为随时间变化的放电电压，I(t)为随时间变化的放电电流。

而使用上述实施例的鼓包进气道的边界层控制方法为：

(1)根据鼓包进气道流场布置射流激励器位置及角度。

(2)当进气道在设计马赫数工作时，接通射流激励器，激励器腔体内气体膨胀并喷出高速射流进而对对鼓包诱导激波边界层干扰区间内注入动量。其中，对于进气道在不同设计马赫数的情况下，可选择的使布置在鼓包型面下方或者机体平面下方的射流激励器工作，而不是将所有射流激励器工作。

(3)高速射流对鼓包前缘低能流施加流向以及展向的扰动，使低能流向鼓包两侧排移。

实施例二

请结合图3及图4所示，为本发明基于等离子体合成射流的鼓包进气道的第二种实施例，该实施例与实施例一的结构大致相同，同样包括内通道表面4、唇罩3、鼓包型面2、机体平面5，并设置有若干射流激励器1，而与实施例一不同之处在于，所述射流激励器1只布置在鼓包型面下方。射流激励器1的射流出口布置在鼓包表面和/或鼓包型面前缘；若射流出口布置在鼓包表面，射流出口方向沿鼓包型线设置，且射流激励器1展向位置不超过唇罩3边缘；若射流出口布置在鼓包型面前缘，射流方向沿激励器出口型线设置。

使用上述实施例的鼓包进气道的边界层控制方法为：

(1)根据鼓包进气道流场布置射流激励器位置及角度。

(2)当进气道在设计马赫数工作时，接通射流激励器，激励器腔体内气体膨胀并喷出高速射流进而对对鼓包诱导激波边界层干扰区间内注入动量。

(3)高速射流对鼓包前缘低能流施加流向以及展向的扰动，使低能流向鼓包两侧排移。

实施例三

请结合图5及图6所示，为本发明基于等离子体合成射流的鼓包进气道的第三种实施例，该实施例与实施例一的结构大致相同，同样包括内通道表面4、唇罩3、鼓包型面2、机体平面5，并设置有若干射流激励器1，而与实施例一及实施例二不同之处在于，所述射流激励器1只布置在机体平面下方。且射流出口方向与来流气流夹角为90°，射流激励器1展向位置不超过唇罩3边缘.

使用上述实施例的鼓包进气道的边界层控制方法为：

(1)根据鼓包进气道流场布置射流激励器位置及角度。

(2)当进气道在设计马赫数工作时，接通射流激励器，激励器腔体内气体膨胀并喷出高速射流进而对对鼓包诱导激波边界层干扰区间内注入动量。

(3)高速射流对鼓包前缘低能流施加流向以及展向的扰动，使低能流向鼓包两侧排移。

试验验证实例

以下通过一个具体的试验验证以说明本发明提供的鼓包进气道能够实现使低能流向鼓包两侧排移的技术效果。

在某设计马赫数M_d＝2，基准圆锥半顶角α＝28°，前缘型线高度h₀＝10mm的鼓包壁面采用本发明所述边界层控制方法，来流马赫数M_∞＝2.0。等离子体合成射流激励器布置于鼓包表面下方与超声速来流方向夹角为90°。激励器距离鼓包前缘2.5mm，激励器缝宽2mm，射流出口布置在鼓包型面前缘，射流出口方向与来流气流夹角为90°。每次脉冲放电向激励器注入的能量33.27mJ。图7中对比了不同时刻下鼓包壁面z＝15mm截面处在有无添加射流时对称面边界层速度剖面变化情况，表1中对比了壁面阻力及阻力系数变化。可以看出，在该位置添加射流吹气后，鼓包该位置下速度剖面更加饱满，鼓包壁面阻力下降。从而证实该实验中能够使低能流周期性地具有一定的横向和展向速度并向鼓包两侧排移，达到了预期的效果。

时间	鼓包壁面阻力	鼓包壁面阻力系数
			0us	6.9269	11.3092
50us	6.8811	11.2344
			150us	6.8731	11.2214

发明具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的实施方式之一。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (7)

1.一种基于等离子体合成射流的鼓包进气道，包括内通道表面、唇罩、鼓包型面、机体平面；所述唇罩位于内通道表面外侧，且唇罩与内通道表面形成进气道的内通道；所述鼓包型面作为连接内通道表面与机体平面之间的连接面，且鼓包型面相对于机体平面向外形成鼓包；其特征在于，还设置有至少一个射流激励器，所述射流激励器布置在鼓包型面下方和机体平面下方；

射流激励器布置在鼓包型面下方，则射流激励器的射流出口布置在鼓包表面和/或鼓包型面前缘；若射流出口布置在鼓包表面，射流出口方向沿鼓包型线设置；若射流出口布置在鼓包型面前缘，射流方向沿激励器出口型线设置；

射流激励器布置在机体平面下方，则射流激励器应布置于鼓包诱导的曲面激波/边界层干扰区间内，射流激励器的射流出口布置于机体平面上，射流出口方向沿射流激励器出口型线方向设置。

2.根据权利要求1所述的鼓包进气道，其特征在于：射流激励器布置方向与超声速来流方向夹角为0～90°。

3.根据权利要求1所述的鼓包进气道，其特征在于：所述射流激励器为两电极水平式等离子体合成射流激励器。

4.根据权利要求1所述的鼓包进气道，其特征在于：射流激励器展向位置不超过唇罩边缘。

5.一种基于等离子体合成射流的鼓包进气道，包括内通道表面、唇罩、鼓包型面、机体平面；所述唇罩位于内通道表面外侧，且唇罩与内通道表面形成进气道的内通道；所述鼓包型面作为连接内通道表面与机体平面之间的连接面，且鼓包型面相对于机体平面向外形成鼓包；其特征在于，还设置有至少一个射流激励器，所述射流激励器布置在鼓包型面下方或机体平面下方；

若射流激励器布置在鼓包型面下方，则射流激励器的射流出口布置在鼓包表面和/或鼓包型面前缘；若射流出口布置在鼓包表面，射流出口方向沿鼓包型线设置，且射流激励器展向位置不超过唇罩边缘；若射流出口布置在鼓包型面前缘，射流方向沿激励器出口型线设置，且射流激励器展向位置不超过唇罩边缘；

若射流激励器布置在机体平面下方，则射流激励器应布置于鼓包诱导的曲面激波/边界层干扰区间内，射流激励器的射流出口布置于机体平面上，射流出口方向沿射流激励器出口型线方向设置，且射流激励器展向位置不超过唇罩边缘。

6.根据权利要求5所述的鼓包进气道，其特征在于：所述射流激励器为两电极水平式射流激励器；射流激励器展向位置不超过唇罩边缘。

7.一种使用根据权利要求1至6中任一项所述鼓包进气道的边界层控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)根据鼓包进气道流场布置射流激励器位置及角度；

(2)当进气道在设计马赫数工作时，接通射流激励器，激励器腔体内气体膨胀并喷出高速射流进而对对鼓包诱导激波边界层干扰区间内注入动量；

(3)高速射流对鼓包前缘低能流施加流向以及展向的扰动，使低能流向鼓包两侧排移。