CN111255777B - 一种适用于物体动态皮肤流动控制的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种适用于物体动态皮肤流动控制的方法，该方法将结构可变形的材料附着于物体表面，材料和物体可相对移动，利用材料的机械不稳定性，对其拉伸与收缩，进行材料平整表面与3D纹理表面的转变，具体为：当物体表面有流动分离时，将材料进行拉伸，产生具有涡发生器效果的纹理表面，抑制流动分离，当物体表面没有流动分离时，使材料收缩，物体表面回到光滑状态，防止附加阻力的产生。与现有技术相比，本方法采用被动流动控制策略，适应能力强，可用于圆柱扰流、机翼等流动装置；用动态的流动控制策略，扩展性佳，通过不同程度的拉伸，可实现各种变工况情况的流动分离控制；采用较为成熟的被动控制策略，成本低、可靠性高。
Description
技术领域
本发明涉及一种流动分离控制方法，尤其是涉及一种适用于物体动态皮肤流动控制的方法。
背景技术
流动分离会导致飞行器阻力快速增加，流态复杂使得气动力非线性变化，影响飞行器的操纵性与稳定性。采取流动控制措施抑制分离流动的发展具有重要的工程意义。流动控制技术包含主动流动控制技术和被动流动控制技术。
主动流动控制(如合成射流、电磁控制等)是控制科学和流体力学交叉所产生的一个新的研究领域，主要应用于剪切流动，包括自由剪切层和边界层。剪切流动中，涡量由物面产生，对流动的主动控制来自于对涡量的控制。
合成射流是一种微型流动控制装置，合成射流与外流场来流的交互作用可以改变当地流线形态，产生壁面形状变化，进而以高出合成射流特征长度尺度一至两个量级的长度尺度影响流动的形态。目前，由活塞振荡驱动产生的合成射流控制机理仍不明确，而其它合成射流装置的控制机理一般认为是一系列涡对的展向不稳定性及其相互作用。但是，由于合成射流的本质非线性特性，角度、速度和频率是相互耦合的，因此选取最优控制参数通常困难并且耗时。
电磁力作用下的流动主动控制研究具有可实现性上的优势，尤其是闭环控制的研究，可以看作是实现分离主动控制理论与应用的重要桥梁，但是电磁力控制除了分离主动控制共有的模型复杂、分析困难外，还存在效率较低，电化学腐蚀等问题。
主动分离主动控制面临着复杂的问题，流动现象往往十分复杂，流体力学的基本控制方程——Navier-Stokes(NS)方程是一个强非线性的偏微分方程，目前除了一些最简单边界条件，实际问题往往得不到解析解。
被动控制是没有辅助能量消耗的流动控制，传统的被动流动控制策略如涡流发生器等主要通过改变物体物理模型的方法，如在物体上加装襟翼等，涡流发生器是被动流动控制中常用的方法，可以延缓流动分离，但是会在非设计状态时无法有效抑制流动分离，甚至可能导致额外的阻力。因此，采用新型的动态流动控制策略是有效措施。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种适应能力强、成本低、可靠性高的适用于物体动态皮肤流动控制的方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种适用于物体动态皮肤流动控制的方法，该方法将结构可变形的材料附着于物体表面，材料和物体可相对移动，利用材料的机械不稳定性，对其拉伸与收缩，进行材料平整表面与3D纹理表面的转变，具体为：当物体表面有流动分离时，将材料进行拉伸，产生具有涡发生器效果的纹理表面，抑制流动分离，当物体表面没有流动分离时，使材料收缩，物体表面回到光滑状态，防止附加阻力的产生。
优选的，所述的材料为聚酯塑料薄层，具有一定强度和柔韧性。
所述的聚酯塑料薄层呈长条状，两端通过类似胶水的高粘性液体与类似杜邦纸的韧性材料连接，韧性材料通过铰链与物体连接，通过铰链旋转实现对动态皮肤的拉伸
所述的材料通过设计编程图案，采用激光切割等方式获得，编程图案具备延展性和机械不稳定性。
所述的3D纹理的位置为物体对应涡流发生器控制效果最佳的位置。
所述的3D纹理的高度为物体在相应流动工况下所对应边界层的高度。
所述的3D纹理在与来流方向角度与物体对应最优涡流发生器安装角相同
所述的3D纹理由多排相同图案组成，对应不同翼型，经实验确定不同排数。
所述的3D纹理长度与高度之比与物体对应最优涡流发生器的长高比相同。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、采用被动流动控制策略，因此适应能力强，可用于圆柱扰流、机翼等流动装置；
2、采用动态的流动控制策略，扩展性佳，通过不同程度的拉伸，可实现各种变工况情况的流动分离控制；
3、采用较为成熟的被动控制策略，因此成本低、可靠性高。
附图说明
图1为本实施例结构可变形的材料的结构示意图；
图2为本实施材料设计时的编程图案示意图；
图3为本实施材料被拉伸后的3D纹理图；
附图标记：
1为编程图案；2为3D纹理。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例
一种适用于动态流动分离控制的方法，该方法将结构可变形的材料附着于物体表面，并可以实现材料和物体的相对移动。利用该材料的机械不稳定性，并对其拉伸与收缩，可实现材料平整表面与3D纹理表面的转变。当物体表面有流动分离时，将该材料进行拉伸，产生类似于涡发生器的纹理表面，提高附面层与外界流动的掺混，抑制流动分离。当没有流动分离时，让材料收缩，物体表面回到光滑状态，防止附加阻力的产生，流动控制方法包括以下步骤：
1.需要对流动分离进行控制时，拉伸聚酯塑料薄层及与之相连的杜邦纸材料至一定高度，经编程的图案转变为3D纹理打开；
2.不需要对流动分离进行控制时，使拉伸聚酯塑料薄层及与之相连的杜邦纸材料平整表面附着于物体。
可变形材料经一定纹理切割，一端固定于物体某处，另一端可被拉伸移动。
编程图案具有良好的延展性与机械不稳定性。
聚酯塑料薄层为高度可变形薄层材料，在未拉伸状态下可较好的贴附于物体表面。
杜邦纸材料有较强的韧性及抗拉性能，较好的贴附于物体折角处。
3D纹理在拉伸后的位置为相应物体所对应涡流发生器控制效果最佳的位置，3D纹理在拉伸后的高度为物体在一定条件下相应边界层的高度，3D纹理在与来流方向角度与相应物体最优涡流发生器安装角相同，3D纹理拉伸后长度与高度之比为与相应物体最优涡流发生器的长高比相同。
如图1所示，为本实施例结构可变形的材料结构示意图，完成动态流动分离控制。下面将以该材料用于机翼NACA0018为例，结合图2对以下同步控制步骤进行详细描述：
1.需要对流动分离进行控制时，拉伸聚酯塑料薄层及与之相连的杜邦纸材料至一定高度，经编程的图案转变为3D纹理打开；
2.不需要对流动分离进行控制时，使拉伸聚酯塑料薄层及与之相连的杜邦纸材料平整表面附着于物体。
在步骤1中，流动分离装置附着于物体表面；
在步骤2中，物体处于一定流场中，拉伸聚酯塑料薄层及与之相连的杜邦纸材料至一定高度，使经编程的图案转变为3D纹理打开.
3D纹理由多排相同图案组成，对应不同翼型，经实验确定不同排数。
本发明把结构可变形材料附着于物体表面，并可以与物体实现相对移动。结构可变形材料经一定纹理切割，一端固定于物体某处，另一端可被拉伸移动。
本发明采用被动流动控制，通过拉伸结构可变形材料实现形成类似于涡发生器的纹理表面，提高附面层与外界流动的掺混，抑制流动分离。
Claims (6)
1.一种适用于物体动态皮肤流动控制的方法，其特征在于，该方法将结构可变形的材料附着于物体表面，材料和物体可相对移动，利用材料的机械不稳定性，对其拉伸与收缩，进行材料平整表面与3D纹理表面的转变，具体为：当物体表面有流动分离时，将材料进行拉伸，产生具有涡发生器效果的纹理表面，抑制流动分离，当物体表面没有流动分离时，使材料收缩，物体表面回到光滑状态，防止附加阻力的产生；
所述的材料为聚酯塑料薄层；
所述的聚酯塑料薄层呈长条状，两端通过高粘度液体与韧性材料连接，韧性材料通过铰链与物体连接，通过铰链旋转实现对动态皮肤的拉伸。
2.根据权利要求1所述的一种适用于物体动态皮肤流动控制的方法，其特征在于，所述的材料通过设计编程图案，采用激光切割加工编程图案，编程图案具备延展性和机械不稳定性。
3.根据权利要求1所述的一种适用于物体动态皮肤流动控制的方法，其特征在于，所述的3D纹理的中心位置为物体对应涡流发生器控制效果最佳的位置。
4.根据权利要求1所述的一种适用于物体动态皮肤流动控制的方法，其特征在于，所述的3D纹理的高度为物体在相应流动工况下所对应边界层的高度。
5.根据权利要求1所述的一种适用于物体动态皮肤流动控制的方法，其特征在于，所述的3D纹理由多排相同图案组成。
6.根据权利要求1所述的一种适用于物体动态皮肤流动控制的方法，其特征在于，所述的3D纹理长度与高度之比与物体对应最优涡流发生器的长高比相同。
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