CN107985557A - 一种利用涡脱落原理的流动转捩控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用涡脱落原理的流动转捩控制装置，包括设置在被控制物体边界层的可以产生扰动的支架，所述支架上固定有可以产生扰动的细丝；本发明的控制装置的特征尺寸小，带来的附加阻力、热流和总压损失等不利影响非常轻微；控制装置具有较大的参数变化范围，其中细丝的粗细、安装高度满足本发明所公开的公式即可，在此范围内，控制装置都有效，有利于根据实际需要自由设计。

Description

一种利用涡脱落原理的流动转捩控制装置

技术领域

本发明涉及空气动力学领域，具体是涉及一种能把边界层流动从层流迅速转变成湍流的流动转捩控制装置。

背景技术

在流体(比如空气和水)与固定相互作用过程中，起主要作用的是固体壁面外薄薄一层——边界层。自然界的边界层流动具有两种截然不同的状态：层流和湍流。二者在摩擦阻力、噪声、热流和掺混等方面有巨大差别。层流与湍流之间的转变称为转捩，转捩控制对飞行器、发动机和水下舰艇等设计有重大意义。例如高超冲压发动机入口前添加转捩装置可以促使流动从层流转捩成湍流，从而提高发动机燃烧效率、对防止发动机不启动也非常关键。长航时无人机如果能在合适的位置控制流动变成湍流，则能防止机翼背风面流动过早分离，从而大大提高无人机在大攻角时的气动性能，提高突防能力。

在促进流动转捩控制方面，早在上世纪50年代，人们就知道利用粗糙带(如粗糙单元、涡流发生器)来促进转捩，并开展了大量的风洞试验和飞行试验研究,研究进展一直受到人们的高度关注。研究表明，基于高度k处无干扰流场参数定义的粗糙雷诺数Re_k＝u_kk/ν_k可以用来对很大范围的试验数据进行关联，这些数据包括钝头体和简单升力体。Doenhoff等对1960年代前的研究工作进行了总结，基于Re_k给出了转捩准则。另有一些采用吹吸、喷流、等离子体等的控制方法，但这些方法需要额外添加控制能量、控制装置复杂、应用并不广泛。目前，国内外比较成熟的提前转捩控制技术仍然采用被动控制方法，比如在风洞测试模型上贴转捩带，在发动机入口前添加涡流发生器等。

虽然国内外采用转捩带(或涡流发生器)来促进转捩的控制方法已经用于工程实际，但是目前也面临一些问题和不足：

现有的转捩控制装置的尺寸较大。为了实现转捩控制，涡流发生器或粗糙带的尺寸都比较大，高度通常为边界层厚度的量级(即毫米至厘米量级)，长度为高度的10倍左右。比如NASA二维和三维通用实验研究模型上的涡流发生器的高度为1.2mm和2.4mm；Balinskey等人所谓的微尺度涡流发生器，其高度也是毫米量级，长度甚至是厘米量级；美国Hyper-X43A转捩装置的高度也是将近1厘米；有时为了产生强的控制效果，还需要加大控制部件的尺寸，比如Serakawi等的涡流发生器为厘米量级。

现有转捩装置易引起总压损失。在超声速和高超声速情况下，这些转捩装置还会诱导出激波，产生激波/边界层干扰，降低下游流场总压，导致总压损失，且高度越高，这种不利影响越大。

现有转捩装置产生较大的附加阻力。大尺寸控制装置的还会导致阻力显著增加。

现有转捩装置增加热防护难度。在超速声和高超声速流动情况下，大尺寸控制装置热流数倍增加、导致高超声速情况下热防护困难。

发明内容

本发明的目的是针对现有流动转捩装置控制效率低，尺寸较大，易带来阻力增加、表面热流增加、总压损失等缺点，提出了尺寸小、效率高的促进层流转捩成湍流的控制方法，该方法利用细丝产生微型涡脱落，通过该涡脱落向流动持续注入扰动，从而促进流动转捩，该方法带来的附加阻力、热流和总压损失等不利影响非常轻微。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种利用涡脱落原理的流动转捩控制装置，包括设置在被控制物体边界层的可以产生扰动的支架，所述支架上固定有可以产生扰动的细丝。

在上述技术方案中，所述细丝的形态是直线、弯曲、分段中的一种。

在上述技术方案中，所述细丝的安装高度应该满足：

h_min≤h≤h_max

其中：h_min是产生涡脱落的最低高度，h_max＝min(δ,h_c)，δ为边界层厚度，h_c为光滑壁面时声速点高度。

在上述技术方案中，在亚声速情况下，h_c可以取无穷大。

在上述技术方案中，所述细丝的截面是圆形、椭圆形、三角形、方形、菱形、多边形中的一种。

在上述技术方案中，所述细丝的直径应该满足：

其中：ρ、u和μ是细丝中心位置在光滑壁面下所对应的流体密度、速度和粘性系数，c>1是安全系数，d是细丝横截面的迎风长度。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

本发明的控制装置的特征尺寸小，带来的附加阻力、热流和总压损失等不利影响非常轻微；

控制装置具有较大的参数变化范围，其中细丝的粗细、安装高度满足上述公式即可，在此范围内，控制装置都有效，有利于根据实际需要自由设计。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是流动转捩控制装置及其安装在民航飞机上的示意图；

图2是图1中流动转捩控制装置局部放大示意图；

图3是流动转捩装置及其在安装在超声速飞行器上的示意图；

图4是图3中流动转捩控制装置局部放大示意图；

图5是流动转捩装置的安装结构示意图；

图6是流动转捩装置迎风长度d的示意图；

其中：1是细丝，2是支架，3是在发动机入口表面附近的安装示意位置，4是在飞机机翼表面上的安装示意位置，5是在超声速飞行器外表面上的安装示意图。

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。

图1、图2给出了本发明的转捩装置安装在民航飞机上的示例，图3、图4给出了本发明的转捩装置安装在超声速飞行器上的示例。如图5所示，转捩装置由细丝和支架组成。细丝的作用是产生脱体涡和振荡等扰动，从而促进边界层从层流转捩成湍流；支架的主要作用是把细丝固定在被控制体的表面上，支架本身也可产生扰动。

本发明对细丝的截面不做特殊要求，可以是圆形、椭圆形、三角形、方形、菱形、多边形等，这些截面都可以产生涡脱落。本发明所涉及细丝的粗细应该满足如下要求：

其中ρ、u和μ是细丝中心位置在光滑壁面(未安装转捩装置)下所对应的流体密度、速度和粘性系数；c>1是安全系数，该系数越大越保险；d是细丝横截面的迎风长度，即细丝横截面在垂直于来流方向上的投影长度，图6给出了六种典型横截面的迎风长度d。公式(1)表明细丝粗细与流动条件有关，假设细丝安装位置在边界层中部，且取安全系数c＝5，则对于海平面附近以200公里/小时巡航的无人飞机d>0.12mm即可，对于在1万米高空以750公里/小时巡航的民航客机d>0.08mm即可。由于粗糙颗粒和涡流发生器等传统被动控制方法的特征尺寸为数毫米至数厘米的量级，本发明的控制装置的特征尺寸远远小于的传统被动控制方法的特征尺寸。

本发明所采用的细丝既可以是直的，也可以是弯曲的，还可以分段设计。细丝的安装方向(展向)应该尽量与来流方向垂直，细丝的安装高度h(中心点离控制面的距离)应该满足

h_min≤h≤h_max (2)

h_min是产生涡脱落的最低高度，通常大于d/2。h_max＝min(δ,h_c)，δ为边界层厚度，h_c为光滑壁面时声速点高度，如果是亚声速情况，h_c可以取无穷大。

本发明的安装位置可以根据需要来给定，使用者需要明白，安装位置的下游流动会迅速转捩成湍流。图1给出了在发动机入口安装该装置，使入口的边界层流动从层流转捩成湍流，从而增强流动掺混效果。图1还给出了在机翼上表面安装该装置，可以确保此处的边界层流动也从层流转捩成湍流，减弱此处的流动分离(民航飞机在以马赫数0.75的速度巡航飞行时，机翼上表面会出现激波/边界层干扰并引起分离)。图3在超声速飞机的外表面安装该装置，也可以促进流动转捩，从而减小下游流动分离。

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 (6)

1.一种利用涡脱落原理的流动转捩控制装置，其特征在于包括设置在被控制物体边界层的可以产生扰动的支架，所述支架上固定有可以产生扰动的细丝。

2.根据权利要求1所述的一种利用涡脱落原理的流动转捩控制装置，其特征在于所述细丝的形态是直线、弯曲、分段中的一种。

3.根据权利要求2所述的一种利用涡脱落原理的流动转捩控制装置，其特征在于所述细丝的安装高度应该满足：

h_min≤h≤h_max

其中：h_min是产生涡脱落的最低高度，h_max＝min(δ,h_c)，δ为边界层厚度，h_c为光滑壁面时声速点高度。

4.根据权利要求3所述的一种利用涡脱落原理的流动转捩控制装置，其特征在于在亚声速情况下，h_c可以取无穷大。

5.根据权利要求1所述的一种利用涡脱落原理的流动转捩控制装置，其特征在于所述细丝的截面形状可以是圆形、椭圆形、三角形、方形、菱形、多边形中的一种。

6.根据权利要求5所述的一种利用涡脱落原理的流动转捩控制装置，其特征在于所述细丝的直径应该满足：

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其中：ρ、u和μ是细丝中心位置在光滑壁面下所对应的流体密度、速度和粘性系数，c>1是安全系数，d是细丝横截面的迎风长度。