CN104908957A - 山脊型扫掠涡流发生器及生成方法 - Google Patents

Abstract

减小阻力、设备复杂性及工作载荷始终是飞行器设计师的首要任务。本发明涉及一种基于扫掠式涡流发生器（设计概念）及生成方法，因其进口气动型面形状类似山脊，故命名为“山脊型”进气道。发明的山脊型扫掠涡流发生器，其结构是在平面或曲面上生成山脊型结构，山脊型结构又由偏转线与横截面轮廓组合而成；其中偏转线角度为流线的偏转角，横截面由三段构成：ab段在迎风侧，由方程生成，为一段光滑的曲线；bc段为圆弧，连接ab段与cd段；cd段在背风侧，通常为一垂线或曲线。优点：这种结构相比于传统的结构，在排除边界层，及减小阻力与重量方面有非常显著地效果；且可以使飞行器结构更简化、迎风面积更小。

Description

山脊型扫掠涡流发生器及生成方法

技术领域

本发明涉及的是一种排移超跨音速机体低能流的山脊型扫掠涡流发生器（Swept Vortex Generator，简称为SVG）及生成方法，属于无隔道进气道设计技术领域。

背景技术

克服进气道外部边界层对进气系统总压回复系数的不利影响一直是飞行器设计师的一个严峻挑战。至今，已有一些方法来防止低能流进入到进气道内，分别是隔道、放气装置及鼓包型面。经典的隔道结构仍然在第四代战斗机上使用；鼓包表面也不再新鲜，它在第五代战斗机上已经开始应用；放气装置则被广泛应用于跨音速及亚音速范围。通常放气结构本身并不能完全减小边界层的厚度，但在控制与减小边界层厚度的不同阶段，这种装置是必不可少的。每种系统都有自己的优缺点。例如，机身与进气道间的隔道设计可以有效的减小低能流进入进气道，但这种设计不可避免的增加了阻力，尤其是在超音速情况下，隔道处的激波显著增加了阻力。鼓包型面适用于进气道/机身一体化，隐身等，在降低总阻力方面也有不错的效果。鼓包型面设计的主要思想是基于已知锥形激波后的流场，采用流线追踪技术生成型面，换句话说，经典的鼓包型面受到锥型流场特征的约束。虽然非对称、非乘波式的鼓包表面设计正在研究中，但在气动性能方面没有足够的数据公布。另外，在高马赫数下，鼓包型面不能有效的排除边界层。

山脊型扫掠涡流发生器SVG设计可以避免上述装置的一些重要缺点，可以显著地减小飞行器的横截面积与阻力。从气动力学分析，SVG结构从亚音速、跨音速到超音速范围内排移边界层的能力，同时飞行阻力也可减小。

发明内容

本发明提出的是一种山脊型扫掠涡流发生器（Swept Vortex Generator，简称SVG，见图1、图5）及生成方法，是一种新概念的进气道，这种新结构没有排放气系统，没有作动机构，它可以使进气道与不同形状的机身进行一体化设计；CFD结果表明，SVG结构改变气流的方向是基于两个气动现象，表面的压差与漩涡；压差与漩涡作用相结合，产生了一个有效的气流带去降低不同马赫数下低能流速度并改变其方向。SVG不仅可取代经典的隔道结构，还由于它设计的灵活性，可在结构多变的进气道入口上使用；最后，SVG作为一种新的设计方案，应用于空气动力设计方面，特别是在改变高速飞行器表面的低能流流动方向上。

本发明的技术解决方案：山脊型扫掠涡流发生器，其持征是在平面或曲面上生成山脊型结构，山脊型结构又由偏转线与横截面轮廓组合而成；其中偏转线角度为流线的偏转角，横截面形状如图3所示，由三段构成：ab段在迎风侧，由方程生成，为一段光滑的曲线，能保证来流阻力较小；bc段为圆弧，连接ab段与cd段；cd段在背风侧，通常为一垂线或曲线。

山脊型扫掠涡流发生器的生成方法，包括：

（1）依靠迎风面与背风面产生的压差形成涡流，将低能流排移，提高进气道入口气流的品质，在平面上确定偏转线（既边界层的新流向），偏转线是沿中心界面对称的两条线，具有相同的长度；

（2）在与平板垂直的平面上定义山脊脊顶轮廓（山脊顶部低压棱的投影，该棱线见图2）曲线，偏转线包含在山脊形结构中；

（3）设计二维横截面，该界面边缘包括高压区、低压区及之间的压差表面；

（4）基于基准点，把设计的横截面沿着偏转线缩放成不同大小的界面，基准点为横截面与偏转线的交点；

（5）定义两条偏转线之间的中心面，该表面的横截形状可以为一段圆弧；

（6）把各部分结构进行有机组合，形成三维表面，即为山脊形结构。

本发明的优点：本发明侧重于SVG结构对边界层排移能力的研究，根据数值模拟，SVG可以在大范围马赫数范围内排除边界层低能流。在两个SVG结构之间，宽广的扫流区域被认为是SVG独有的特点，结合压缩表面就可以得到一个很好地结构；虽然进行优化周期是空气动力学设计所必须的阶段，但SVG结构的平面形状设计概念没有这一约束，另一方面SVG结构在不同的型面上都有足够的适应性；SVG的兼容性使得其结构在不同进口几何形状与压缩表面上设计与使用都有易操作性；SVG更显著的优势是减小阻力，通过使用SVG结构代替隔道，进气结构更贴近机身，飞行器的总横截面积减小，因此总阻力也减小；与经典的隔道结构相比，本发明没有遇到边界层分离和超音速时阻力剧增的情况。

附图说明

附图1是SVG基本结构图 。

附图2是SVG及周围压力分布图 。

附图3是SVG结构横截面图。

附图4是SVG结构横截面压力系数图。

附图5是SVG结构三维示意图。

附图6是SVG排移低能流流线图。

具体实施方式

山脊型扫掠涡流发生器，其结构是在平面或曲面上生成山脊型结构（见图1），山脊型结构又由偏转线与横截面轮廓组合而成；其中偏转线角度为流线的偏转角，横截面形状如图3所示，由三段构成：ab段在迎风侧，由方程生成，为一段光滑的曲线，能保证来流阻力较小；bc段为圆弧，连接ab段与cd段；cd段在背风侧，通常为一垂线或曲线。

山脊型扫掠涡流发生器的生成方法，包括如下步骤：

（1）依靠迎风面与背风面产生的压差形成涡流，将低能流排移，提高进气道入口气流的品质，在平面上确定偏转线（既边界层的新流向），偏转线是沿中心界面对称的两条线，具有相同的长度；

（2）在与平板垂直的平面上定义山脊脊顶轮廓（山脊顶部低压棱的投影，该棱线见图2）曲线，偏转线包含在山脊形结构中；

（3）设计二维横截面，该界面边缘包括高压区、低压区及之间的压差表面；

（4）基于基准点，把设计的横截面沿着偏转线缩放成不同大小的界面，基准点为横截面与偏转线的交点；

（5）定义两条偏转线之间的中心面，该表面的横截形状可以为一段圆弧；

（6）把各部分结构进行有机组合，形成三维表面，即为山脊形结构。

所述山脊形的截面轮廓曲线的生成方法，包括：

1）根据边界层厚度估算山脊形状曲线的最大高度；依据所需涡的能量，这个最大高度可以为边界层厚度的2.5~5倍；

2）为定义山脊横截面轮廓形状曲线函数，定义三维坐标系，偏转线与平板相交的点为原点，其中x方向沿偏转线，y方向垂直于平板；

3）定义山脊形轮廓曲线，通过起始点与最大高度约束山脊形状曲线，这种方法中的曲线可以通过在xz平面上的二元二次曲线或三角方程得到。

所述山脊形的横截面的设计方法包括：

①确定横截面数量，横截面与偏转线相垂直；为了计算简单，起始部分（沿山脊长度）包括主截面轮廓；

②由山脊形高度的变化计算比例因子；

③在每个截面上，以偏转线为法向，设置一个二维坐标系，x、y方向与偏转线垂直，并且x轴与平板平行；

④考虑山脊高度和偏转线上的基准点，创建起始横截面的轮廓曲线。在尖端可以用一个段圆弧设计，圆弧的圆心与偏转线的垂直距离可以为起始部分脊型的最大高度；

⑤在起始点与尖部轮廓之间的连线可以是一段三角函数曲线，形成压缩部分，该曲线与顶部的圆弧相切，另一条曲线形成低压段。

所述山脊形的曲面位置的布置方法包括：

①确定需排移涡的宽度与位置；

②在安置山脊形结构处，计算边界层湍流形式与厚度；

③通过脊形位置预定义偏转角度，基于当地流线的偏转角，定义偏转角度，机身上的偏转角线可以通过投影创建；

④在横截面上定义脊形所在平面，该平面与偏转线垂直；

⑤定义两条山脊之间的中部表面：该面可以基于机身与进气道的最大高度，由圆弧或多段曲线生成；

⑥缩放横截面形成三维山脊结构。

所述进气道进口与山脊形表面的整合方法包括：

①定义进气道入口所需的扫涡宽度；

②根据权利要求2与3，设计脊形结构；

③在进气道入口前设计中央面形状，该表面可以根据进气道进口形状设计；

④在机身表面，基于进气道结构，设计独特的SVG结构，无分离的山脊结构，光滑的表面流动轮廓。这部分能容易的通过样条曲线设计。

山脊型扫掠涡流发生器的生成方法，包括如下步骤：

（1）通过三维坐标中的样条曲线定义初始曲线和主要表面的边界；

（2）计算表面的初始点集；

（3）从预处理中通过初始条件求解二阶椭圆偏微分方程 ，

其中代表函数面，为力值函数，a与b是向量参数。

所述两条山脊之间的中部表面加上额外压缩面的方法，包括：

①选择基础压缩型面；

②确定压缩表面与涡流发生器之间的最大距离；

③重新设计中央的压缩面，可以是斜坡面、圆锥面或鼓包表面；④重新设计型的压缩面入口形状。

SVG结构应用于无隔道进气道中，可有效的排移低能流，提高进气道的性能；在无隔道进气道中，SVG结构安装在进口前的鼓包上，产生湍流漩涡，将流向进口的低能卷吸，排移到进口两侧，提高进气道进口气流品质，从而提高进气道性能；并且对于大马赫数范围内，基于SVG结构的无隔道进气道都有优异的性能。

基于SVG结构的飞行器/前体一体化设计；根据山脊型扫掠涡流发生器的生成方法设计的SVG结构可以用来确定飞行器前体结构，特别是高马赫数；通过流线追踪法，设计飞行器前体乘波几何形状；在飞行器前体表面运用权利要求1的方法生成山脊型结构；由山脊型结构，再次通过流线追踪生成山脊型结构相组合压缩型面，由此生成基于SVG结构的高速飞行器前体。

下面结合附图进一步描术本发明的技术方案，

平板边界层发展问题是流体力学中一个众所周知的问题。在数学模型中，边界层分为层流区、过渡区及湍流区。层流边界层对压力梯度最为敏感，当表面的形状改变产生压力梯度时，层流边界层很容易改变流动方向，从高压区流向低压区，这也是鼓包型面排移边界层的主要原理。高速粘性流体流经鼓包表面时，由于压力梯度影响，边界层沿着鼓包型面方向，其厚度逐渐减小，并向两边排移。但鼓包不是唯一能产生压力梯度的结构。平面上的扫涡发生器（SVG）也能在两侧产生压力梯度，如图1、图2所示为这种结构。这种概念的设计是基于对低能流影响的两种流动现象，压差及由其产生的漩涡。在SVG流场中，压力分布并不是连续变化的，因为当SVG结构迎风设计时，其沿流线前端表面的压力比另一侧（低压表面）大，在顶端将产生一个压力非常低的区域。图4显示了这样的压差，此图也显示了SVG横截面的压力系数。

对照图1，从横截面轮廓建立典型的SVG结构，如图1表明了这类横截面。在平面上，横截面的比例因子沿直线线性变化，这些直线在流动方向有一定的偏角。采用一定的入射角是必须的，因为它有助区高压区上产生的压力增加。图1的山脊形结构是横截面轮廓曲线直接缩放处理的结果，该比例因子是恒定变化的。

对照图2，图2的高压面是由于简单的圆弧曲线与顶部圆弧曲线相互连接而产生的，顶端的几何形状直接影响流场性能；低压区的轮廓曲线是SVG的内部边界线，可以是直线，也可以用S形曲线。横截面轮廓曲线的构造方法不是唯一的，可以用其他方法重新定义几何形状。下面的流线追踪方法用于产生平面形状和新概念SVG结构的某些部分。

对照图5，图5为SVG的三维示意图，显示了平面上设计的SVG结构。

当流体经过山脊形结构时，越接近壁面的流线，越容易改变方向，进入到低压区。可以认为，像鼓包表面上的高压区，很容易使边界层气流偏转到两侧平板上一样，山脊形表面的压力越高，改变低能流方向越容易。不仅是压力梯度，涡流对平板上的边界层也有显著地作用。当边界层流体穿过山脊形结构并到达低压区后，气流将发生分离，并进入到纵向漩涡中。靠近山脊型壁面的边界层受到压力梯度的影响，从高压区进入到低压区（接近山脊的SVG部分），并通过涡流流向两端，如图6。更确切的说，漩涡与边界层的相互作用改变了边界层的流动方向。应当认为，漩涡的能量是SVG两侧的压力差函数，并且压力差是SVG几何形状的函数。在这种情况下，可以通过改变顶端的几何形状与凹形轮廓产生强涡流。

Claims (10)

1.山脊型扫掠涡流发生器，其持征是在平面或曲面上生成山脊型结构，山脊型结构又由偏转线与横截面轮廓组合而成；其中偏转线角度确定流线在各流向位置的偏转角，横截面由三段构成：ab段在迎风侧，由求解数学方程生成，为一段光滑的曲线，能保证来流阻力较小；bc段为圆弧，连接ab段与cd段；cd段在背风侧，通常为一垂线或曲线；依靠此山脊型扫掠涡流发生器，可以将上游来流近壁的低机械能流体层偏转至侧向、从而为下游要求高流场品质的部件如喷气动力的进气道，提供优质气流，同时还能尽量壁面造成流动损失或气流阻力。

2.如权利要求1的山脊型扫掠涡流发生器的生成方法，其特征是包括：

（1）依靠迎风面与背风面产生的压差形成涡流，将低能流排移，提高进气道入口气流的品质，在平面上确定偏转线，偏转线是沿中心界面对称的两条线，具有相同的长度；

（2）在与平板垂直的平面上定义山脊脊顶轮廓曲线，偏转线包含在山脊形结构中；

（3）设计二维山脊横截面，该界面边缘包括高压区、低压区及之间的压差表面；

（4）基于基准点，把设计的山脊横截面沿着偏转线缩放成不同大小的界面，基准点为横截面与偏转线的交点；

（5）定义两条偏转线之间的中心面，该表面的横截形状可以为一段圆弧；

（6）把各部分结构进行有机组合，形成三维表面，即为山脊形结构。

3.根据权利要求2的山脊型扫掠涡流发生器的生成方法，其特征是所述的山脊形的脊顶轮廓曲线的生成方法包括：

1）根据边界层厚度估算山脊形状曲线的最大高度；依据所需涡的能量，这个最大高度可以为边界层厚度的2.5~5倍；

2）为定义山脊横截面轮廓形状曲线函数，定义三维坐标系，偏转线与平板相交的点为原点，其中x方向沿偏转线，y方向垂直于平板；

3）定义山脊形轮廓曲线，通过起始点与最大高度约束山脊形状曲线，这种方法中的曲线可以通过在xz平面上的二元二次曲线或三角方程得到。

4.根据权利要求书2与3的山脊型扫掠涡流发生器的生成方法，其特征是所述的山脊形横截面的设计方法包括：

①确定横截面数量，横截面与偏转线相垂直；为了计算简单，起始部分包括主截面轮廓；

②由山脊形高度的变化计算比例因子；

③在每个截面上，以偏转线为法向，设置一个二维坐标系，x、y方向与偏转线垂直，并且x轴与平板平行；

④考虑山脊高度和偏转线上的基准点，创建起始横截面的轮廓曲线，在尖端可以用一个段圆弧设计，圆弧的圆心与偏转线的垂直距离可以为起始部分脊型的最大高度；

⑤在起始点与尖部轮廓之间的连线可以是一段三角函数曲线，形成压缩部分，该曲线与顶部的圆弧相切，另一条曲线形成低压段。

5.根据权利要求2所述的山脊型扫掠涡流发生器的生成方法，其特征是所述的山脊形的曲面位置的布置方法包括：

①确定需排移涡的宽度与位置；

②在安置山脊形结构处，计算边界层湍流形式与厚度；

③通过脊形位置预定义偏转角度，基于当地流线的偏转角，定义偏转角度，机身上的偏转角线可以通过投影创建；

④在横截面上定义脊形所在平面，该平面与偏转线垂直；

⑤定义两条山脊之间的中部表面：该面可以基于机身与进气道的最大高度，由圆弧或多段曲线生成；

⑥缩放横截面形成三维山脊结构。

6.根据权利要求2的所述的山脊型扫掠涡流发生器的生成方法，其特征是所述的进气道进口与山脊形表面的整合方法包括：

①定义进气道入口所需的扫涡宽度；

②根据权利要求2与3，设计脊形结构；

③在进气道入口前设计中央面形状，该表面可以根据进气道进口形状设计；

④在机身表面，基于进气道结构，设计独特的SVG结构，无分离的山脊结构，光滑的表面流动轮廓，这部分能容易的通过样条曲线设计。

7.如权利要求1的山脊型扫掠涡流发生器的生成方法，其特征是包括：

①通过三维坐标中的样条曲线定义初始曲线和主要表面的边界；

②计算表面的初始点集；

③依据预设坐标数据，即初始条件，求解二阶椭圆偏微分方程                                                ，

其中代表函数面，为力值函数，a与b是向量参数。

8.根据权利要求5所述的山脊型扫掠涡流发生器的生成方法，其特征是所述的在中部表面上加上额外压缩面的方法，包括：

①选择基础压缩型面；

②确定压缩表面与涡流发生器之间的最大距离；

③重新设计中央的压缩面，可以是斜坡面、圆锥面或鼓包表面；④重新设计型的压缩面入口形状。

9.SVG结构应用于无隔道进气道中，可有效的排移低能流，提高进气道的性能；在无隔道进气道中，SVG结构安装在进口前的鼓包上，产生湍流漩涡，将流向进口的低能卷吸，排移到进口两侧，提高进气道进口气流品质，从而提高进气道性能；并且对于大马赫数范围内，基于SVG结构的无隔道进气道都有优异的性能。

10.基于SVG结构的飞行器/前体一体化设计；根据山脊型扫掠涡流发生器的生成方法设计的SVG结构可以用来确定飞行器前体结构，特别是高马赫数；通过流线追踪法，设计飞行器前体乘波几何形状；在飞行器前体表面运用权利要求1的方法生成山脊型结构；由山脊型结构，再次通过流线追踪生成山脊型结构相组合压缩型面，由此生成基于SVG结构的高速飞行器前体。