CN107869498B - 一种基于干扰运动激波的超音速空腔流动控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于干扰运动激波的超音速空腔流动控制方法，该方案为在空腔底部内沿长度方向的1/3L至2/3L区间内设置横向隔板，L为空腔长度，干扰沿空腔底部运动的激波结构；当横向隔板越趋于空腔长度方向1/3L处设置时，空腔底部脉动声压级越高；当横向隔板越趋于空腔长度方向2/3L处设置时，空腔底部脉动声压级越低。该方案通过在空腔底部不同位置安装不同高度的横向隔板，干扰沿空腔底部运动的激波结构，从而影响空腔内的非定常流动特性。

Description

一种基于干扰运动激波的超音速空腔流动控制方法
技术领域
本发明涉及实验流体力学领域，尤其是一种基于干扰运动激波的超音速空腔流动控制方法。
背景技术
高速条件下，空腔流动是一种极其不稳定的大分离流动。流经空腔上方的高速气流，在腔内低速气流摩擦作用下，运动方向发生偏转，与空腔后壁相碰，形成大量的高能压力波、强漩涡等流动结构，这些流动结构在空腔内来回运动，诱导空腔产生强烈的压力脉动。
因此，空腔流动的一个主要特征就是流动非定常和压力强脉动。这一特征在各种空腔类构型部件中普遍存在，对部件的气动特性和综合性能产生重要影响。在实际应用中，空腔内的不稳定气流和剧烈的压力脉动，既可能产生有利的影响，也可能导致不利的影响。例如，超燃冲压发动机的燃烧室是一种后壁倾斜的空腔，在空腔强脉动环境下，燃料分解更快和扩散也更加均匀，燃烧更加充分，发动机的推进效率得到进一步提升。然而，对于另一种空腔类构型—战斗机内埋弹舱，空腔流动的强非定常强脉动特性却带来了多方面不利影响。随着导弹技术的发展，灵巧轻质型导弹的应用越来越广泛。弹舱内剧烈振荡的气流将对内埋导弹投放的轨迹产生较大的影响，有可能导致导弹与载机相碰的险情发生。另外，舱内不稳定气流产生的动载荷作用在弹舱薄壁结构上，显著降低了结构的疲劳使用寿命。
为了进一步改善或利用空腔内的流动非定常和压力强脉动特性，相关的流动控制手段应运而生。这些控制方法通过干扰空腔内压力脉动的形成机制和路径，抑制或放大流动的不稳定特性，从而降低或增强腔内压力脉动，获得相关收益。虽然空腔流动控制手段形式多样，但是根据其控制机理，以干扰来流边界层、降低气流与后缘的碰撞强度等两类方式为主。第一类控制方式通过在前缘安装锯齿、圆柱、直板或者吹气等方式，抬升边界层或者增强边界层的稳定性等，影响下游剪切层和旋涡的发展和演化过程，从而实现对空腔流动的有效控制。第二类控制方式采用后壁倒角、后壁倾斜等方式，降低高速气流与后壁面的撞击强度，从而降低空腔压力脉动。
上述控制方法应用于低速或亚声速时，取得了较好的控制效果。然而，应用于超音速时，则可能失效或产生相反的效果。例如，文献1中采用了一种倾斜的前缘孔板来控制B-1飞机内埋弹舱非定常流动。试验结果表明，这种流动控制方式在亚声速条件下具有明显的抑制舱内压力脉动的效果，但是随着马赫数增加，孔板对腔内脉动压力声压级的抑制效果显著下降，马赫数大于1.3以后，腔内脉动压力声压级不降反升。超音速条件下，空腔流动中除了旋涡等复杂结构，流场中还会引入激波、膨胀波等结构。目前，超音速空腔流动强压力脉动的产生机理还未达成统一认识，超音速空腔流控措施的控制机理还不清楚。近年来，科研人员通过高速纹影技术、高精度数值计算等手段，发现在空腔内存在高速运动的激波结构，这是在超音速空腔流动机理研究方面取得的最新研究成果。研究人员预计该激波结构可能是空腔内强压力脉动产生的一个重要影响因素。虽然，国内外学者发现了此类运动激波结构，但是并未发展出相关的干扰该运动激波的流动控制方法，且干扰该运动激波后会产生怎样的控制效果难以预计。
发明内容
本发明的目的，就是针对现有技术所存在的不足，而提供一种基于干扰运动激波的超音速空腔流动控制方法，该方案通过在空腔底部不同位置安装不同高度的横向隔板，干扰沿空腔底部运动的激波结构，从而影响空腔内的非定常流动特性。
本方案是通过如下技术措施来实现的：
一种基于干扰运动激波的超音速空腔流动控制方法：
在空腔底部内沿长度方向的1/3L至2/3L区间内设置横向隔板，L为空腔长度，干扰沿空腔底部运动的激波结构；当横向隔板越趋于空腔长度方向1/3L处设置时，空腔底部脉动声压级越高；当横向隔板越趋于空腔长度方向2/3L处设置时，空腔底部脉动声压级越低。
作为本方案的优选：横向隔板高度低于0.3D，D为空腔高度。
作为本方案的优选：横向隔板的方向与空腔的宽度方向平行。
作为本方案的优选：横向隔板数量为一个或多个。
本方案的有益效果可根据对上述方案的叙述得知，由于在该方案中采用在空腔内设置横向隔板，能够干扰空腔底部运动的激波结构，从而影响到空腔内的非定常流动，能够通过调节横向隔板的设置位置和高度能够调整空腔内的声压级大小。
由此可见，本发明与现有技术相比，具有实质性特点和进步，其实施的有益效果也是显而易见的。
附图说明
图1为本发明的隔板位置变化对空腔底部声压级的影响表。
图2为图1的结构示意图。
图中，1为横向隔板，2为空腔。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书（包括任何附加权利要求和附图）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
本方案采用在空腔底部的不同位置安装不同高度的横向隔板，干扰沿空腔底部运动的激波结构；横向隔板高度低于0.3D（D为空腔高度）。空腔内沿长度方向的1/3L处（L为空腔长度）设置有横向隔板。空腔内沿长度方向的2/3L处（L为空腔长度）设置有横向隔板。横向隔板的方向与空腔的宽度方向平行。
在2/3L处加入横向隔板后，在亚（马赫数0.6）、跨（马赫数0.9）声速条件下，仅隔板附近的压力脉动发生细微变化（变化幅度在1dB以内），空腔后壁压力升高，腔内压力梯度增大；超音速条件下，腔内脉动压力声压级水平整体显著下降，最多降低5dB，除隔板附近压力升高，其余部分压力变化很小。在超音速（马赫数2.0）条件下，将横向隔板从2/3L移至1/3L后，腔内脉动压力声压级水平整体显著上升，从原来的低于基本状态约5dB变成高出基本状态约3dB。通过对试验结果的分析，发现亚跨声速条件下，横向隔板对空腔内的脉动压力影响较小；而超音速条件下，横向隔板既能抑制也能增强空腔内的脉动压力，控制效果十分明显。
本方法应用于亚、跨声速流动时，对空腔内压力脉动无明显不利影响。而应用于超音速时，横向隔板对空腔内压力脉动的控制效果十分明显。通过选取合适高度和位置参数，既可以增强腔内压力脉动，促进超燃冲压发动机燃烧室的燃料分解和扩散，提高燃烧效率；又可以抑制腔内脉动，增强流场的稳定性，既有利于战斗机内埋弹舱的武器投放，也有利于提高弹舱薄壁结构的疲劳使用寿命。同时，横向隔板还助于增强空腔结构的刚度。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (4)

1.一种基于干扰运动激波的超音速空腔流动控制方法，其特征是：
在空腔底部内沿长度方向的1/3L至2/3L区间内设置有横向隔板，L为空腔长度，干扰沿空腔底部运动的激波结构；当横向隔板越趋于空腔长度方向1/3L处设置时，空腔底部脉动声压级越高；当横向隔板越趋于空腔长度方向2/3L处设置时，空腔底部脉动声压级越低。
2.根据权利要求1所述的一种基于干扰运动激波的超音速空腔流动控制方法，其特征是：所述横向隔板高度低于0.3D，D为空腔高度。
3.根据权利要求1所述的一种基于干扰运动激波的超音速空腔流动控制方法，其特征是：所述横向隔板的方向与空腔的宽度方向平行。
4.根据权利要求1所述的一种基于干扰运动激波的超音速空腔流动控制方法，其特征是：所述横向隔板数量为一个或多个。
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