CN106124626A - 延迟高超声速边界层材料转捩的研究系统及实验研究方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种延迟高超声速边界层材料转捩的研究系统，包括：超声波吸收层模型；超声波发生器，其设置在所述超声波吸收层模型的一侧；以及压力传感器，其设置在所述超声波吸收层模型的另一侧，用于接收回波。本发明还公开了一种延迟高超声速边界层材料转捩的实验研究方法，其能够有效应用延迟高超声速边界层材料转捩的研究系统以研究超声波吸收层几何外形对其吸波特性的影响；本发明还提供了一种高超声速边界层材料中声学共振模态的捕捉方法，用于验证声学共振模态的存在，为超声波吸收层设计提供全面的实验支持和科学依据。

Description

延迟高超声速边界层材料转捩的研究系统及实验研究方法

技术领域

本发明涉及一种延迟高超声速边界层材料转捩的研究系统及实验研究方法，为该材料的设计提供全面的实验支持和科学依据。

背景技术

在高超声速飞行过程中，边界层转捩大幅增加边界层的热传导系数和摩擦阻力。如果能够延迟边界层的转捩，高超声速飞行器热防护系统的重量和复杂度便可以显著降低。在二维或准二维高超声速边界层中，第二模态成为主要的不稳定模态，即Mack模态。第二模态波是由比速度脉动大的多的压力和温度的强脉动引起的，为受困在边界层中的超声波。目前，对高超声速边界层转捩进行控制的主要途径包括：热传导、头部钝化、吸气以及等离子体等。通过壁面热传导方式控制高超声速边界层转捩，需要准确地优化局部加热带和冷却带的位置。同时，还需考虑由于壁面温度分布不均匀所引起的声波感受性问题。在实际应用中，边界层热传导方案的设计常常具有很大的挑战性。另外，虽然头部钝化能够延迟边界层转捩，但是头部钝化控制边界层转捩的效率较低。头部钝化还必须根据不同飞行状态严格优化钝化程度。否则，一旦钝化程度超过临界值，头部钝化反而会加速边界层转捩。除此而外，吸气可以延迟由第二模态波主导的边界层转捩，但是在高温环境中应用的可行性问题缺乏考证。对于等离子体控制技术，引入的磁场系统也会增添结构的复杂程度和重量。因此，等离子体控制高超声速边界层转捩的方法在实际工程应用中仍然发展缓慢。

超声波吸收层是一种由等距分布的微腔构成的薄层，如槽道或者圆孔。由于腔体特征尺寸减小，流动受到的剪切作用强度以及流动与壁面的摩擦阻力大幅增加。因此，粘性耗散效应明显增强。超声波的机械能大量转化成热能，并且与腔体壁面发生热交换，第二模态波不稳定性受到抑制，从而延迟边界层转捩。2001年，莫斯科物理技术研究院的Fedorov等人分析了高超声速多孔平板边界层的第二模态波不稳定性。研究证实了使用合适的超声波吸收层可以延迟边界层转捩。通过超声波吸收层控制高超声速边界层，不需要额外的复杂机构和能量消耗。在高超声速严酷的高温飞行环境中，该被动式控制方法更具鲁棒性和实际应用价值。2013年，加州理工学院的Brès通过数值研究预测，超声波吸收层几何外形(开孔率和宽高比)对其吸波特性有着重要的影响。截止到目前为止，超声波吸收层几 何外形对其吸波特性影响的实验研究尚处于空白。超声波吸收层对于第二模态波的影响除了主要的粘性耗散效应和热传导，还有叠加和散射等。值得注意的是，第二模态波在超声波吸收层顶部的散射产生了新的声学共振模态。新的声学共振模态可能会激发新的不稳定性，加速边界层转捩。目前，声学共振模态的存在尚没有被实验验证。

发明内容

本发明的一个目的是解决至少上述问题，并提供至少后面将说明的优点。

本发明还有一个目的是提供一种延迟高超声速边界层材料转捩的研究系统；

本发明还有一个目的是提供一种延迟高超声速边界层材料转捩的实验研究方法，其能够有效应用延迟高超声速边界层材料转捩的研究系统以研究超声波吸收层几何外形对其吸波特性的影响，选择出合适的延迟高超声速边界层材料转捩的超声波吸收层几何外形；

本发明还有一个目的是提供一种高超声速边界层材料中声学共振模态的捕捉方法，配合延迟高超声速边界层材料转捩的研究系统和实验研究方法，同时验证声学共振模态的存在，为超声波吸收层设计提供全面的实验支持和科学依据。

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种延迟高超声速边界层材料转捩的研究系统，其特征在于，包括：

超声波吸收层模型，其为一板体，板体的上端面上开设有多个相互均匀间隔开平行设置的矩形开口槽；

超声波发生器，其设置在所述超声波吸收层模型的一侧，使得所述超声波发生器发出的超声波经超声波吸收层反射后产生回波；以及

压力传感器，其设置在所述超声波吸收层模型的另一侧，用于接收回波；

优选的是，其中，所述超声波吸收层的规格为：80-100mm×80-100mm×10-20mm。

优选的是，其中，所述超声波发生器发出的超声波入射至超声波吸收层的入射角度为0-30°。

优选的是，其中，所述超声波吸收层模型包括基准超声波吸收层模型、超声波吸收层模型P1、超声波吸收层模型P2、超声波吸收层模型A1和超声波吸收层模型A2，其中，超声波吸收层模型上的多个矩形开口槽的规格参数为：半宽0.15mm，开孔率0.2-0.8，宽高比0.06-0.24。

优选的是，其中，所述基准超声波吸收层模型上的多个矩形开口槽的规格参数为：半 宽0.15mm，开孔率0.5，宽高比0.12；P1上的多个矩形开口槽的规格参数为：半宽0.15mm，开孔率0.2，宽高比0.12；P2上的多个矩形开口槽的规格参数为：半宽0.15mm，开孔率0.8，宽高比0.12；A1上的多个矩形开口槽的规格参数为：半宽0.15mm，开孔率0.5，宽高比0.06；A2上的多个矩形开口槽的规格参数为：半宽0.15mm，开孔率0.5，宽高比0.24。

一种延迟高超声速边界层材料转捩的实验研究方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、应用延迟高超声速边界层材料转捩的研究系统并结合一平板进行超声波入射检测获得平板超声波回波幅值A_FP，其中，所述平板的规格为80-100mm×80-100mm×10-20mm；

步骤二、应用延迟高超声速边界层材料转捩的研究系统并分别结合基准超声波吸收层模型、超声波吸收层模型P1和超声波吸收层模型P2进行检测获得基准超声波回波幅值A_UAC、A_UACP1和A_UACP2，应用下列公式M分别计算获得反射系数为R_UAC、R_UACP1和R_UACP2：

$R_{UAC}=\frac{A_{UAC}}{A_{FP}}$

其中，当静态实验模拟同一飞行高度时，且超声波发生器发出的超声波功率相等时，比较反射系数R_UAC、R_UACP1和R_UACP2的大小，越小的反射系数对应的所述开孔率的超声波吸收层模型越能延迟高超声速边界层转捩。

步骤三、应用延迟高超声速边界层材料转捩的研究系统并分别结合基准超声波吸收层模型、超声波吸收层模型A1和超声波吸收层模型A2进行检测获得基准超声波回波幅值R_UAC、A_UACA1和A_UACA2，应用下列公式M分别计算获得反射系数为R_UAC、R_UACA1和R_UACA2：

$R_{UAC}=\frac{A_{UAC}}{A_{FP}}$

其中，当静态实验模拟同一飞行高度时，且超声波发生器发出的超声波功率相等时，比较反射系数R_UAC、R_UACA1和R_UACA2的大小，越小的反射系数对应的所述宽高比的超声波吸收层模型越能延迟高超声速边界层转捩。

一种高超声速边界层材料中声学共振模态的捕捉方法，其特征在于，还包括以下步骤：

步骤一、应用延迟高超声速边界层材料转捩的研究系统并使用基准超声波吸收层模型，检测回波压力信号，将回波压力信号进行傅立叶变换，获得对应的功率谱密度特征；

步骤二、声学共振模态波长λ_res由多个矩形开口槽中相邻两个矩形开口槽的槽道间距决定，λ_res＝s；因此，声学共振模态频率f_res由下式获得：

$f_{res}=\frac{a}{{\mathrm{\λ}}_{res}}$

其中a为声速；

当步骤一中延迟高超声速边界层材料转捩的研究系统模拟某一飞行高度，且超声波的声速为a，步骤一中功率谱密度特征在f_res附近出现峰值，则超声波吸收层模型中声学共振模态存在，且被捕捉。

本发明至少包括以下有益效果：

本发明提供的延迟高超声速边界层材料转捩的研究系统中，超声波发生器产生的超声波用于模拟第二模态波，入射至超声波吸收层模型上，通过压力传感器检测回波，分析超声波反射系数，用于为研究超声波吸收层几何外形对其静态吸波特性的影响提供设备研究基础；以及通过压力传感器检测回波，分析超声波回波压力信号的功率谱密特征，为验证声学共振模态的存在提供设备研究基础；

本发明提供的延迟高超声速边界层材料转捩的实验研究方法，其能够有效应用延迟高超声速边界层材料转捩的研究系统以研究超声波吸收层几何外形对其吸波特性的影响，选择出合适的延迟高超声速边界层材料转捩的超声波吸收层几何外形；

本发明提供的高超声速边界层材料中声学共振模态的捕捉方法，配合延迟高超声速边界层材料转捩的研究系统和实验研究方法，同时验证声学共振模态的存在，为超声波吸收层设计提供全面的实验支持和科学依据。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为本发明所述的延迟高超声速边界层材料转捩的研究系统的侧面结构示意图；

图2为本发明所述的延迟高超声速边界层材料转捩的实验研究方法中反射系数随超声波吸收层(UAC)开孔率的变化，其中，○为h＝0km，□为h＝10km，*为h＝30km，且开孔率为0.2；

图3为本发明所述的延迟高超声速边界层材料转捩的实验研究方法中反射系数随UAC开孔率的变化，其中，○为h＝0km，□为h＝10km，*为h＝30km，且开孔率为0.5；

图4为本发明所述的延迟高超声速边界层材料转捩的实验研究方法中反射系数随UAC开孔率的变化，其中，○为h＝0km，□为h＝10km，*为h＝30km，且开孔率为0.8；

图5为本发明所述的延迟高超声速边界层材料转捩的实验研究方法中反射系数随UAC宽高比的变化，其中，○为h＝0km，□为h＝10km，*为h＝30km，且宽高比为0.06；

图6为本发明所述的延迟高超声速边界层材料转捩的实验研究方法中反射系数随UAC宽高比的变化，其中，○为h＝0km，□为h＝10km，*为h＝30km，且宽高比为0.12；

图7为本发明所述的延迟高超声速边界层材料转捩的实验研究方法中反射系数随UAC宽高比的变化，其中，○为h＝0km，□为h＝10km，*为h＝30km，且宽高比为0.24。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

实施例1

如图1所示，本发明提供了一种延迟高超声速边界层材料转捩的研究系统，其特征在于，包括：

超声波吸收层模型1，其为一板体，板体的上端面上开设有多个相互均匀间隔开平行设置的矩形开口槽2；超声波发生器3，其设置在所述超声波吸收层模型的一侧，使得所述超声波发生器发出的超声波经超声波吸收层反射后产生回波；以及压力传感器4，其设置在所述超声波吸收层模型的另一侧，用于接收回波。

在上述方案中，超声波发生器发射的超声波用于模拟第二模态波，入射至超声波吸收层模型上，通过压力传感器检测回波，分析超声波反射系数，用于为研究超声波吸收层几何外形对其静态吸波特性的影响提供设备研究基础；以及通过压力传感器检测超声波吸收层模型的回波压力信号，分析超声波回波压力信号的功率谱密特征，为验证声学共振模态的存在提供设备研究基础。

一个优选方案中，所述超声波吸收层模型的规格为：80-100mm×80-100mm×10-20mm。

一个优选方案中，所述超声波发生器发出的超声波入射至超声波吸收层的入射角度为0-30°。

一个优选方案中，所述超声波吸收层模型包括基准超声波吸收层模型、超声波吸收层模型P1、超声波吸收层模型P2、超声波吸收层模型A1和超声波吸收层模型A2，其中，超声波吸收层模型上的多个矩形开口槽的规格参数为：半宽0.15mm，开孔率0.2-0.8，宽高比0.06-0.24。

一个优选方案中，所述基准超声波吸收层模型上的多个矩形开口槽的规格参数为：半宽0.15mm，开孔率0.5，宽高比0.12；P1上的多个矩形开口槽的规格参数为：半宽0.15mm，开孔率0.2，宽高比0.12；P2上的多个矩形开口槽的规格参数为：半宽0.15mm，开孔率0.8，宽高比0.12；A1上的多个矩形开口槽的规格参数为：半宽0.15mm，开孔率0.5，宽高比0.06；A2上的多个矩形开口槽的规格参数为：半宽0.15mm，开孔率0.5，宽高比0.24。

其中，半宽为矩形开口槽一半的开口宽度，宽高比为矩形开口槽的开口宽度与矩形开口槽的高度的比例。

实施例2

一种延迟高超声速边界层材料转捩的实验研究方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、应用延迟高超声速边界层材料转捩的研究系统并结合一平板进行超声波入射检测获得平板超声波回波幅值A_FP，其中，所述平板的规格为80-100mm×80-100mm×10-20mm；

步骤二、应用延迟高超声速边界层材料转捩的研究系统并分别结合基准超声波吸收层模型、超声波吸收层模型P1和超声波吸收层模型P2进行检测获得基准超声波回波幅值R_UAC、A_UACP1和A_UACP2，应用下列公式M分别计算获得反射系数为R_UAC、R_UACP1和R_UACP2：

$R_{UAC}=\frac{A_{UAC}}{A_{FP}}$

其中，当静态实验模拟同一飞行高度时，且超声波发生器发出的超声波功率相等时，比较反射系数R_UAC、R_UACP1和R_UACP2的大小，越小的反射系数对应的所述开孔率的超声波吸收层模型越能延迟高超声速边界层转捩；

步骤三、应用延迟高超声速边界层材料转捩的研究系统并分别结合基准超声波吸收层模型、超声波吸收层模型A1和超声波吸收层模型A2进行检测获得基准超声波回波幅值A_UAC、A_UACA1和A_UACA2，应用下列公式M分别计算获得反射系数为R_UAC、R_UACA1和R_UACA2：

$R_{UAC}=\frac{A_{UAC}}{A_{FP}}$

其中，当静态实验模拟同一飞行高度时，且超声波发生器发出的超声波功率相等时，比较反射系数R_UAC、R_UACA1和R_UACA2的大小，越小的反射系数对应的所述宽高比的超声波吸收层模型越能延迟高超声速边界层转捩。

如图3、图4、图5、图6、图7所示，分别为不同飞行高度下UAC超声波反射系数随开孔率和宽高比的变化情况。其中，为超声波无量纲频率，由决定，f为超声波频率，H为UAC槽道深度，a为声速。

如图3、图4、图5、图6、图7所示，随着开孔率增大和宽高比的减小，反射系数的振荡减弱。这说明，对于更大开孔率和更小宽高比的UAC材料，超声波在槽道底部的反射减弱，与槽道顶部反射的叠加效果降低。整体上看，具有更大开孔率和更小宽高比的UAC材料吸收边界层内第二模态波的能力强，更利于延迟高超声速边界层转捩。但是，更大开孔率和更小宽高比的UAC材料不易加工。另外，大开孔率的UAC材料所产生的声学共振模态可能比第二模态波更不稳定，反而加速边界层转捩。

实施例3

一种高超声速边界层材料中声学共振模态的捕捉方法，其特征在于，还包括以下步骤：

步骤一、应用延迟高超声速边界层材料转捩的研究系统并使用基准超声波吸收层模型，检测回波压力信号，将回波压力信号进行傅立叶变换，获得对应的功率谱密度特征；

步骤二、声学共振模态波长λ_res由多个矩形开口槽中相邻两个矩形开口槽的槽道间距决定，λ_res＝s；因此，声学共振模态频率f_res由下式获得：

$f_{res}=\frac{a}{{\mathrm{\λ}}_{res}}$

其中a为声速；

当步骤一中延迟高超声速边界层材料转捩的研究系统模拟某一飞行高度，且超声波的声速为a，步骤一中功率谱密度特征在f_res附近出现峰值，也即是f_res与步骤一中功率谱密度特征峰值有重叠，则超声波吸收层模型中声学共振模态存在，且被捕捉。

比如：当超声波发生器发出的超声波的声速a＝340m/s，槽道间距s＝0.6mm时，应用步骤二的方法计算获得声学共振模态频率f_res为566.7kHz，而通过压力传感器检测获得的回波压力信号功率谱密度特征在566.7kHz出现峰值，验证了声学共振模态的存在并成功捕捉，为超声波吸收层设计提供全面的实验支持和科学依据。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (7)

1.一种延迟高超声速边界层材料转捩的研究系统，其特征在于，包括：

超声波吸收层模型，其为一板体，板体的上端面上开设有多个相互均匀间隔开平行设置的矩形开口槽；

超声波发生器，其设置在所述超声波吸收层模型的一侧，使得所述超声波发生器发出的超声波经超声波吸收层模型反射后产生回波；以及

压力传感器，其设置在所述超声波吸收层模型的另一侧，用于接收回波。

2.如权利要求1所述的延迟高超声速边界层材料转捩的研究系统，其特征在于，所述超声波吸收层模型的规格为：80-100mm×80-100mm×10-20mm。

3.如权利要求1所述的延迟高超声速边界层材料转捩的研究系统，其特征在于，所述超声波发生器发出的超声波入射至超声波吸收层的入射角度为0-30°。

4.如权利要求1所述的延迟高超声速边界层材料转捩的研究系统，其特征在于，所述超声波吸收层模型包括基准超声波吸收层模型、超声波吸收层模型P1、超声波吸收层模型P2、超声波吸收层模型A1和超声波吸收层模型A2，其中，超声波吸收层模型上的多个矩形开口槽的规格参数为：半宽0.15mm，开孔率0.2-0.8，宽高比0.06-0.24。

5.如权利要求4所述的延迟高超声速边界层材料转捩的研究系统，其特征在于，所述基准超声波吸收层模型上的多个矩形开口槽的规格参数为：半宽0.15mm，开孔率0.5，宽高比0.12；P1上的多个矩形开口槽的规格参数为：半宽0.15mm，开孔率0.2，宽高比0.12；P2上的多个矩形开口槽的规格参数为：半宽0.15mm，开孔率0.8，宽高比0.12；A1上的多个矩形开口槽的规格参数为：半宽0.15mm，开孔率0.5，宽高比0.06；A2上的多个矩形开口槽的规格参数为：半宽0.15mm，开孔率0.5，宽高比0.24。

6.一种延迟高超声速边界层材料转捩的实验研究方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、应用如权利要求4所述的延迟高超声速边界层材料转捩的研究系统并结合一平板进行超声波入射检测获得平板超声波回波幅值A_FP，其中，所述平板的规格为80-100mm×80-100mm×10-20mm；

步骤二、应用如权利要求4所述的延迟高超声速边界层材料转捩的研究系统并分别结合基准超声波吸收层模型、超声波吸收层模型P1和超声波吸收层模型P2进行检测获得基准超声波回波幅值A_UAC、A_UACP1和A_UACP2，应用下列公式M分别计算获得反射系数为R_UAC、R_UACP1和R_UACP2：

$R_{UAC}=\frac{A_{UAC}}{A_{FP}}$

其中，当静态实验模拟同一飞行高度时，且超声波发生器发出的超声波功率相等时，比较反射系数R_UAC、R_UACP1和R_UACP2的大小，越小的反射系数对应的所述开孔率的超声波吸收层模型越能延迟高超声速边界层转捩；

步骤三、应用如权利要求4所述的延迟高超声速边界层材料转捩的研究系统并结合基准超声波吸收层模型、超声波吸收层模型A1和超声波吸收层模型A2进行检测获得基准超声波回波幅值A_UAC、A_UACA1和A_UACA2，应用下列公式M分别计算获得反射系数为R_UAC、R_UACA1和R_UACA2：

$R_{UAC}=\frac{A_{UAC}}{A_{FP}}$

其中，当静态实验模拟同一飞行高度时，且超声波发生器发出的超声波功率相等时，比较反射系数R_UAC、R_UACA1和R_UACA2的大小，越小的反射系数对应的所述宽高比的超声波吸收层模型越能延迟高超声速边界层转捩。

7.一种高超声速边界层材料中声学共振模态的捕捉方法，其特征在于，还包括以下步骤：

步骤一、应用如权利要求4所述的延迟高超声速边界层材料转捩的研究系统并使用基准超声波吸收层模型，检测回波压力信号，将回波压力信号进行傅立叶变换，获得对应的功率谱密度特征；

步骤二、声学共振模态波长λ_res由多个矩形开口槽中相邻两个矩形开口槽的槽道间距s决定，λ_res＝s；因此，声学共振模态频率f_res由下式获得：

$f_{res}=\frac{a}{{\mathrm{\λ}}_{res}}$

其中a为声速；

当步骤一中延迟高超声速边界层材料转捩的研究系统模拟某一飞行高度，且超声波的声速为a，步骤一中功率谱密度特征在f_res附近出现峰值，则超声波吸收层模型中声学共振模态存在，且被捕捉。