CN107013370B - 超声速钝后缘混合层的主动控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种超声速钝后缘混合层的主动控制装置，通过在隔板的尾缘内设置具有主动控制射流的结构，将主动控制和被动控制相结合，既避免了主动控制中振片容易熔化的问题，又实现了多种控制模式自由选择。实现了主动、被动控制相结合，取长补短的效果。

Description

超声速钝后缘混合层的主动控制装置

技术领域

本发明涉及超声速技术领域，具体的涉及一种超声速钝后缘混合层的主动控制装置。

背景技术

引射是指在火箭发射过程中将火箭燃气与来流空气进行超声速混合，该过程作为火箭基组合发动机(Rocket Based Combined Cycle，RBCC)的关键过程，对于RBCC而言，自由来流经过一系列进气道，在喷管尾缘与喷管燃气接触，当两者的混合达到分子层面时即可发生化学反应，实现利用空气中氧气达到提高发动机比冲的目的。然而由于来流速度过高，空气仅能在燃烧室内的驻留时间<1-3ms，引射效率的高低取决于燃气是否能与空气快速高效的混合，同时决定了整个推进系统的性能。

火箭燃气的温度极高(>3500K，喷管喉部热流密度达到107～108W/m²)，喷管出口的温度也超过2500K。为了保护引射火箭的几何结构，现有的冷却方式会导致后缘厚度的增加，形成超声速钝后缘混合层，其流场结构如图1所示。由自由来流发展的上下边界层在隔板后缘的几何拐角处分离，经过剧烈的膨胀过程形成自由剪切层。这两股从钝后缘拐角发展出来的自由剪切层在下游交汇形成再附点，由于彼此的阻碍作用发生再压缩过程，在超声速流动中形成一系列弱压缩波，汇聚为再附激波。剪切层交汇后分成两个部分，一小部分向上游运动，由于固壁和另一个剪切层的存在形成回流区；大部分向下游运动，形成再发展混合层。由于在钝后缘产生回流区，使得超声速钝后缘混合层具有全局不稳定性，

目前对超声速混合层厚度的控制方式包括主动控制和被动控制。被动控制以在尾缘(即隔板远离来流方向的一端)上增设突片、锯齿、波瓣等结构，从而产生流向涡或不稳定脉动，达到对超声速混合层厚度的控制。被动控制方式结构简单、控制效果明显，但尾缘结构固定无法实现根据来流情况进行调整的变控制效果。

主动控制则是通过向被控流场中主动注入气体，通过注入的气体改变流场的能量和动量，进而改变流场的特征结构，达到控制掺混的作用。最早的主动控制为在超声速来流的上游添加厚度仅为1mm左右的振片，利用机械振动的方式产生振动从而控制产生一系列的拍打涡对，加快混合层的转捩过程。通过在上游安装正弦振型的振片后，混合层中出现周期性的涡结构。同时现有技术中还存在将上游激励改为双频扰动的控制方式，进一步增强混合层的增长效率，从而缩小钝后缘的厚度。在实际工程实践中组合发动机燃烧室内的高温燃气容易将振片熔化，导致控制失效。

发明内容

针对以上技术问题，本发明的目的在于提供了一种超声速钝后缘混合层的主动控制装置。

本发明提供一种超声速钝后缘混合层的主动控制装置，包括彼此隔绝的第一腔体和第二腔体，第一腔体和第二腔体容纳设置于远离超声速来流隔板的一端内，隔板的尾缘上间隔设置第一开口和第二开口，第一腔体通过第一开口与超声速来流相连通；第二腔体通过第二开口与超声速来流相连通；第一腔体与第二腔体通过振动膜片隔离。

进一步地，第一开口的中心线平行于超声速来流方向设置于隔板的端面上；第二开口的中心线平行于超声速来流方向设置于隔板的端面上。

进一步地，第一开口的中心线垂直于超声速来流方向设置于隔板的端面上；第二开口的中心线垂直于超声速来流方向设置于隔板的端面上。

进一步地，隔板包括隔板第一部和隔板第二部，第一腔体和第二腔体容纳设置于隔板第一部内，隔板第二部的一端与隔板第一部的一端相连接。

进一步地，隔板第一部和隔板第二部通过贯穿隔板第二部的固定螺钉固定连接。

进一步地，振动膜片为由电信号控制的压电陶瓷金属片。

进一步地，电信号为正弦波、三角波、方波或不对称方波中的任一种。

进一步地，还包括盖板，隔板上设有敞口腔体，盖板盖设于敞口腔体上，与敞口腔体围成第一腔体和/或第二腔体。

本发明的技术效果：

本发明提供的超声速钝后缘混合层的主动控制装置，通过在隔板的尾缘内设置具有主动控制射流的结构，将主动控制和被动控制相结合，既避免了主动控制中振片容易熔化的问题，又实现了多种控制模式自由选择。实现了主动、被动控制相结合，取长补短的效果。

本发明提供超声速钝后缘混合层的主动控制装置，设置于隔板内部，机械结构简单，不影响原流道。可根据不同飞行工况的需要，通过给振动膜片施加不同的电信号，在射流出口处形成不同的控制射流，与原流场相互作用，从而改变混合层的发展情况，达到对混合层的不同控制效果。

本发明提供超声速钝后缘混合层的主动控制装置，可以激发起超声速钝后缘混合层流动的不稳定性，从而达到以小博大的控制效果。通过仿真实验可知，本发明提供的装置以峰值速度为20m/s的周期性射流来控制平均速度为500m/s的流场，用4％的流场能量使得混合层厚度增长了1.5倍。

具体请参考根据本发明的超声速钝后缘混合层的主动控制装置提出的各种实施例的如下描述，将使得本发明的上述和其他方面显而易见。

附图说明

图1是现有冷却方式下形成的超声速钝后缘混合层示意图；

图2是本发明优选实施例中超声速钝后缘混合层的主动控制装置的俯视示意图；

图3是本发明优选实施例中超声速钝后缘混合层的主动控制装置的右视示意图；

图4是本发明优选实施例中超声速钝后缘混合层的主动控制装置的主视示意图；

图5是本发明优选实施例中提供的图2的A-A向剖视示意图；

图6是本发明另一优选实施例中提供的图2的A-A向剖视示意图；

图7是本发明优选实施例中采用超声速钝后缘混合层的主动控制装置控制后所得射流周期内不同时间的流场云图，其中a)是振动周期的1/4T时；b)是振动周期的2/4T时；c)是振动周期的3/4T时；d)是振动周期的T时；

图8是本发明优选实施例中振动膜片处于不同振动状态下的周期平均的流场云图，其中，a)是振动膜片不振动时；b)是振动膜片振动时；

图9是本发明优选实施例中本发明优选实施例中振动膜片处于不同振动状态下的标量厚度分布。

图例说明：

100、隔板第一部；200、隔板第二部；110、盖板；112、第一开口；114、第二开口；113、固定螺钉；120、振动膜片；115、第一腔体；116、第二腔体；300、超声速来流。

具体实施方式

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。

参见图2～4，本发明提供的超声速钝后缘混合层的主动控制装置，设置于隔板远离超声速来流300一端的尾缘上。

隔板可以为一端相互连接的隔板第一部100和隔板第二部200。此处的拼接可以为插拼也可以为胶接。在一个实施例中，隔板第一部100和隔板第二部200通过固定螺钉113相连接，固定螺钉113贯穿隔板第一部100后与隔板第二部200相连接。

参见图2和5，隔板第一部100的中部设有腔体，腔体通过开设于隔板第一部100和隔板第二部200侧面上的第一开口112和第二开口114与超声速来流300相连通。第一开口112和第二开口114可以正对设置，也可以相互间隔设置。第一开口112和第二开口114靠近于远离超声速来流300的一端设置。第一开口112的中心线垂直于超声速来流300方向设置于隔板的端面上；第二开口114的中心线垂直于超声速来流300方向设置于隔板的端面上。在另一实施例中，隔板上设置敞口腔体，盖板110盖设于敞口上以形成第一腔体115和/或第二腔体116。减少对隔板的损失。盖板110通过螺钉固定于隔板上。

参见图5，腔体内设有振动膜片120，振动膜片120设置于腔体的中心线上，将腔体分割为彼此隔绝的第一腔体115和第二腔体116。第一腔体115通过第一开口112与超声速来流300相连通。第二腔体116通过第二开口114与超声速来流300相连通。

参见图6，在另一实施例中，第一开口112和第二开口114均开设于隔板第一部100与隔板第二部200相对的端面上。第一开口112的中心线平行于超声速来流300方向设置于隔板的端面上；第二开口114的中心线平行于超声速来流300方向设置于隔板的端面上。

优选的，振动膜片120为压电陶瓷金属片。

使用时，在隔板上下来流的情况下，通过对振动膜片120施加电信号，控制振动膜片120振动。当振动膜片120向第一开口112运动时，第一腔体115体积受到压缩，在第一开口112处形成外喷射流。相应此时第二腔体116的体积受到扩展，在第二开口114处形成吸入射流。当振动膜片120向第二开口114运动时，情况相反，从而通过电信号控制振动膜片120的振动，在隔板尾缘此时周期性射流，并可对其进行控制。从而达到射流与来流间歇作用的效果，实现后缘发展混合层的摆动。

所用电信号可以根据需要设定，例如可以为正弦波、三角波、方波等。为了实现更多的控制效果，周期信号的波形可以不对称，如不对称方波。

以下结合具体的实施例对本发明的技术方案进行详细说明。

采用Fluent商业软件进行仿真，上下来流马赫数分别为1.5和2.5，两侧压力匹配为5930.31Pa,总温为300K；隔板的厚度为10mm，射流出口为1mm，出口中心距隔板后缘3mm；振动膜片的振动频率为500Hz，振幅为1mm。

仿真结果如图7～9所示，由图7可见，在整个超声速来流周期中，随着振动膜片的振动，后缘的混合层也在做周期性的摆动，说明通过使用本发明提供的装置能使得隔板的上下来流得到更加有效的混合。从图8的可见，a)中振动膜片处于静止状态，混合层厚度较小；b)图中振动膜片处于振动状态下，混合层厚度增大，说明振动膜片在振动情况下的混合层厚度要大于不振动情况下，也充分说明了振动膜片的振动有利于混合层的混合。为了进一步验证我们的结论，图9为振动膜片振动和静止状态周期平均标量厚度分布对比图，这里以组分浓度的0.05至0.95为混合层的标量厚度，可以明显的看出振动膜片振动使得混合层的增长速率增加了近1.5倍，有效地增强了混合效果，同时振动膜片的振动对于上侧的混合作用更加有效。

本领域技术人员将清楚本发明的范围不限制于以上讨论的示例，有可能对其进行若干改变和修改，而不脱离所附权利要求书限定的本发明的范围。尽管己经在附图和说明书中详细图示和描述了本发明，但这样的说明和描述仅是说明或示意性的，而非限制性的。本发明并不限于所公开的实施例。

通过对附图，说明书和权利要求书的研究，在实施本发明时本领域技术人员可以理解和实现所公开的实施例的变形。在权利要求书中，术语“包括”不排除其他步骤或元素，而不定冠词“一个”或“一种”不排除多个。在彼此不同的从属权利要求中引用的某些措施的事实不意味着这些措施的组合不能被有利地使用。权利要求书中的任何参考标记不构成对本发明的范围的限制。

Claims (7)

1.一种超声速钝后缘混合层的主动控制装置，其特征在于，包括彼此隔绝的第一腔体和第二腔体，所述第一腔体和所述第二腔体容纳设置于远离超声速来流的隔板的一端内，所述隔板的尾缘上间隔设置第一开口和第二开口，所述第一腔体通过所述第一开口与所述超声速来流相连通；所述第二腔体通过所述第二开口与所述超声速来流相连通；所述第一腔体与所述第二腔体通过振动膜片隔离；

所述隔板包括隔板第一部和隔板第二部，所述第一腔体和所述第二腔体容纳设置于所述隔板第一部内，所述隔板第二部的一端与所述隔板第一部的一端相连接；

还包括盖板，所述隔板上设有敞口腔体，所述盖板盖设于所述敞口腔体上，与所述敞口腔体围成所述第一腔体和/或所述第二腔体。

2.根据权利要求1所述的超声速钝后缘混合层的主动控制装置，其特征在于，所述第一开口的中心线平行于超声速来流方向设置于所述隔板的端面上；所述第二开口的中心线平行于所述超声速来流方向设置于所述隔板的端面上。

3.根据权利要求1所述的超声速钝后缘混合层的主动控制装置，其特征在于，所述第一开口的中心线垂直于超声速来流方向设置于所述隔板的端面上；所述第二开口的中心线垂直于所述超声速来流方向设置于所述隔板的端面上。

4.根据权利要求1所述的超声速钝后缘混合层的主动控制装置，其特征在于，所述隔板第一部和所述隔板第二部通过贯穿所述隔板第二部的固定螺钉固定连接。

5.根据权利要求1所述的超声速钝后缘混合层的主动控制装置，其特征在于，所述振动膜片为由电信号控制的压电陶瓷金属片。

6.根据权利要求5所述的超声速钝后缘混合层的主动控制装置，其特征在于，所述电信号为正弦波、三角波及方波中的任一种。

7.根据权利要求5所述的超声速钝后缘混合层的主动控制装置，其特征在于，所述电信号为不对称方波。