CN109760818A - 一种基于新型合成双射流激励器的超声速边界层转捩控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于新型合成双射流激励器的超声速边界层转捩控制方法，在超声速飞行器表面或者进气道等需控制边界层转捩的区域安装新型合成双射流激励器，在超声速飞行器飞行过程中，开启新型合成双射流激励器，新型合成双射流激励器产生的扰动波和射流涡能够对边界层内产生扰动，其中扰动波能够修正边界层，射流涡能够抑制边界层中的发卡涡涡头的上抛运动和流向涡的上喷下扫运动，从而有效实现对超声速边界层转捩的“波控”与“涡控”，从而实现对边界层转捩的主动控制。本发明形成射流的扰动波与涡量同时作用于边界层，提高了合成射流对超声速边界层流动的控制能力，可实现低动量合成射流对超声速边界层转捩的有效控制。

Description

一种基于新型合成双射流激励器的超声速边界层转捩控制 方法

技术领域

本发明涉及边界层流动控制方法，特别是一种基于新型合成双射流激励器的超声速边界层转捩控制方法。

背景技术

边界层的存在及其从物面的分离是物体在流体中运动所产生摩擦阻力和形状阻力的根源。航空航天领域中飞行器的外形设计、飞行稳定性和气动力控制，水面与水下舰船、潜艇、鱼雷的减阻降噪，交通运输工具如高速列车、汽车、船舶的外形设计与运动稳定性，桥梁、隧道、建筑物的风工程设计，国防兵器中子弹、炮弹、导弹的飞行等都会受到边界层流动状态和稳定性的影响。边界层流动控制能起到增强/减弱流动稳定性、推迟/加速转捩、抑制/促进流动分离等作用，从而实现航行器增升、减阻、降噪、消涡、减振和隐身等功能。

研究边界层转捩有助于理解边界层内部相干结构的相互作用机理，为建立完善的边界层流动控制理论和数学模型奠定基础，美国NASA已将其列为二十一世纪的关键技术之一。因此，采用先进流动控制技术对边界层转捩流动结构和状态进行有效控制，揭示边界层转捩控制机理，已成为流体力学和流动控制领域的研究热点。

常见的边界层转捩控制方法有壁面粗糙带、涡流发生器、定常射流、合成射流、壁面抽吸、壁面冷却、壁面加热等方式。其中，壁面粗糙带和涡流发生器属于被动控制方式，在特定工况下具有较好的控制效果，而当偏离设计状态时，控制效果将降低，甚至产生副作用。定常射流和壁面抽吸是主动控制方式，能拓宽控制范围，但需要流体供应及管路系统，使得结构复杂笨重。壁面冷却和壁面加热在特定工况下能够有效提高边界层流动稳定性，但其结构复杂、能耗较大、控制速度缓慢，且对飞行器载荷要求高。

合成射流技术(Synthetic Jet)是上世纪90年代提出的一种基于旋涡运动的零质量射流技术，其具有结构紧凑、能耗低、响应快、控制灵活等优点，被认为是目前最具发展潜力的主动流动控制技术之一。在流动分离控制、改善机翼气动力、产生虚拟气动外形等边界层流动控制领域展现出了良好的应用前景。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明的目的是提供一种基于新型合成双射流激励器的超声速边界层转捩控制方法，其利用新型合成双射流激励器对边界层进行“涡控”和“波控”，有效实现对超声速边界层的转捩控制。本发明提出的超声速边界层转捩控制方法，具有易于电参数控制(快速)、轻小型化(低能耗)和分布式布局(高效)的特点。

为实现上述技术目的，本发明的技术方案是：

一种基于新型合成双射流激励器的超声速边界层转捩控制方法，在超声速飞行器表面或者进气道等需控制边界层转捩的区域安装新型合成双射流激励器，在超声速飞行器飞行过程中，开启新型合成双射流激励器，新型合成双射流激励器产生的扰动波和射流涡能够对边界层内产生扰动，与边界层内原有的扰动相互作用，抑制或促进扰动波的发展，从而实现对边界层转捩的主动控制。

新型合成双射流激励器工作时喷出的双射流所形成的扰动波和射流涡同时作用于边界层，其中扰动波能够修正边界层，射流涡能够抑制边界层中的发卡涡涡头的上抛运动和流向涡的上喷下扫运动，从而有效实现对超声速边界层转捩的“波控”与“涡控”。

所述有边界层转捩控制需求的物面区域包括有边界层转捩控制需求的超声速飞行器表面或者超声速飞行器进气道或者其他有边界层转捩控制需求的物面上。

本发明所述新型合成双射流激励器包括左壳体、右壳体、射流出口盖板以及中间振动膜片，所述左壳体、右壳体、射流出口盖板组合成一个完整的密封壳体，所述左壳体和右壳体的内侧均开设有凹腔，左壳体内侧的凹腔和右壳体内侧的凹腔分设在中间振动膜片的左右两侧，中间振动膜片将左壳体、右壳体上的凹腔分隔成两个独立的腔体，即左腔体和右腔体；所述射流出口盖板上开设有左射流出口通道和右射流出口通道；所述左腔体与左射流出口通道联通，左腔体通过左射流出口通道与外界环境联通，右腔体与右射流出口通道联通，右腔体通过右射流出口通道与外界环境联通。中间振动膜片为压电陶瓷片，其振动是采用压电驱动方式，因此易于电参数控制。新型合成双射流激励器工作时只需消耗电能，通过电信号输入即可方便实现激励器的启动和频率控制，且工作频带宽、响应迅速因此易于电参数控制。

作为本发明的优选技术方案，在新型合成双射流激励器的射流出口盖板上设置粗糙元，不同高度尺寸的粗糙元将会使双射流所形成的扰动波具有不同的波长，通过设计不同高度尺寸的粗糙元从而产生不同波长的扰动波进而实现对扰动波波长的控制，通过对新型合成双射流激励器其输入信号的控制实现对涡量的控制。因此扰动波波长和涡量均可实现定量控制。

作为本发明的优选技术方案，在有边界层转捩控制需求的物面区域安装布设多个新型合成双射流激励器。多个新型合成双射流激励器可以呈阵列分布，可以根据需求开启不同位置的激励器，实现对超声速边界层流动的有效时序控制。所用新型合成双射流激励器为电参数控制，能耗小，并且其产生的射流仅作用于边界层内，不会破坏主流流场。

本发明的效果和益处是：

本发明利用新型合成双射流激励器工作时喷出的双射流所形成的扰动波和涡量同时作用于边界层形成射流的扰动波和涡量同时作用于边界层，对边界层进行“波控”和“涡控”，提高了合成射流对超声速边界层流动的控制能力，实现了低动量合成射流对超声速边界层流动的有效控制。

1、扰动波-涡结构耦合控制。新型合成双射流激励器一方面通过在其出口盖板上设计不同高度尺寸的粗糙元从而产生不同波长的扰动波进而实现对扰动波波长的控制，对边界层内最危险的扰动波进行抑制，从而修正边界层的速度分布，另一方面能够通过吸吹作用对边界层施加低动量的“抽吸”和高动量的注入，将涡量可调的流体注入边界层，从而影响边界层流动稳定性，实现对边界层转捩的有效控制；

2、易于轻小型化。新型合成双射流激励器自身体积小、质量轻、能量效率高，无机械作动部件，无气源及管路供应系统，无额外加热装置，避免了控制系统复杂的结构设计，因此易于轻小型化；

3、易于电参数控制。新型合成双射流激励器工作时只需消耗电能，通过电信号输入即可方便实现激励器的启动和频率控制，且工作频带宽、响应迅速因此易于电参数控制；

4、易于分布式布局。新型合成双射流激励器无复杂的气源管路，只有简单的电源电路，且体积小、环境适应能力强，易于进行分布式布局封装，且不会改变飞行器的结构和气动外形；

5、主动控制。本方法基于合成新型合成双射流激励器，相比于壁面抽吸、涡流发生器等控制方式，本控制方法方便快捷，可根据需求随时开启、关闭不同数目、不同位置的激励器，实现主动控制。

6、原理清晰。本发明原理清晰，装置轻巧，有利于工程实现。

附图说明

图1为新型合成双射流激励器结构图；

图2为射流出口盖板的结构示意图；

图3为本发明提供的实施例的示意图；

图4为本发明的原理示意图；

图5为本发明一实施例中多个新型合成双射流激励器在超声速平板边界层上分布阵列示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方法进行进一步的说明。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。

下面选取超声速平板边界层作为本发明的具体实施例。如图1至5所示，在超声速飞行器表面或者进气道等需控制边界层转捩的区域(图3所示实施例中即超声速飞行器的一平板上)安装新型合成双射流激励器1，且新型合成双射流激励器1相对于其所处的超声速平板4齐平安装，通过控制新型合成双射流激励器的工作状态实现对超声速边界层的转捩控制。新型合成双射流激励器工作时喷出的双射流所形成的扰动波和涡量同时作用于边界层，其中扰动波能够修正边界层，涡量能够抑制边界层中的发卡涡涡头的上抛运动和流向涡的上喷下扫运动，从而有效实现对超声速边界层转捩的“波控”与“涡控”。

新型合成双射流激励器的结构如图1和图2所示，所述新型合成双射流激励器1包括左壳体6、右壳体7、射流出口盖板2以及中间振动膜片5，所述左壳体6、右壳体7、射流出口盖板2组合成一个完整的密封壳体，所述左壳体6和右壳体7的内侧均开设有凹腔，左壳体6内侧的凹腔和右壳体7内侧的凹腔分设在中间振动膜片5的左右两侧，中间振动膜片5将左壳体6、右壳体7上的凹腔分隔成两个独立的腔体，即左腔体和右腔体；所述射流出口盖板2上开设有左射流出口通道8和右射流出口通道9；所述左腔体与左射流出口通道8联通，左腔体通过左射流出口通道8与外界环境联通，右腔体与右射流出口通道9联通，右腔体通过右射流出口通道9与外界环境联通。中间振动膜片5为压电陶瓷片，其振动是采用压电驱动方式，因此易于电参数控制。新型合成双射流激励器工作时只需消耗电能，通过电信号输入即可方便实现激励器的启动和频率控制，且工作频带宽、响应迅速因此易于电参数控制。

参照图2，在新型合成双射流激励器1的射流出口盖板2上设置粗糙元3，粗糙元的尺寸为1mm*1mm*1mm，粗糙元中心位于出口中心点上游30mm处。一方面，通过控制新型合成双射流激励器输入的电信号，实现不同涡量的涡结构，另一方面，通过设计不同高度尺寸的粗糙元引发不同波长的扰动波，对边界层内的扰动波进行干扰。如图3所示，在需控制边界层转捩的超声速飞行器的一平板上安装一个新型合成双射流激励器1，新型合成双射流激励器1安装位置位于转捩发生区域，当转捩发生时，开启新型合成双射流激励器，利用新型合成双射流激励器的“波控”效应和“涡控”效应，对边界层施加控制。通过对边界层内最不稳定模态的扰动波进行控制，对边界层进行修正。由于发卡涡的涡头附近常常伴随着强烈的上喷和下扫运动，在垂直壁面方向上近进行动量输运，产生雷诺应力，利用新型合成双射流产生的涡结构抑制发卡涡头部引起的上抛运动，使得头部与颈部断开，降低发卡涡腿部流向涡的环量，降低雷诺切应力和壁面摩阻，原理参见图4。

在具体实施例中可在边界层需要控制的区域布置了多个新型合成双射流激励器，如图5所示。在实际应用中，激励器的数目、分布和出口角度将根据具体应用对象的需要而优化设置。图5中，多个新型合成双射流激励器可以呈阵列分布，可以根据需求开启不同位置的激励器，实现对超声速边界层流动的有效时序控制。所用新型合成双射流激励器为电参数控制，能耗小，并且其产生的射流仅作用于边界层内，不会破坏主流流场。

综上所述，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然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。

Claims (7)

1.一种基于新型合成双射流激励器的超声速边界层转捩控制方法，其特征在于：在超声速飞行器表面或者进气道等需控制边界层转捩的区域安装新型合成双射流激励器，在超声速飞行器飞行过程中，开启新型合成双射流激励器，新型合成双射流激励器产生的扰动波和射流涡能够对边界层内产生扰动，与边界层内原有的扰动相互作用，抑制或促进扰动波的发展，从而实现对边界层转捩的主动控制。

2.根据权利要求1所述的基于新型合成双射流激励器的超声速边界层转捩控制方法，其特征在于：新型合成双射流激励器工作时喷出的双射流所形成的扰动波和射流涡同时作用于边界层，其中扰动波能够修正边界层，射流涡能够抑制边界层中的发卡涡涡头的上抛运动和流向涡的上喷下扫运动，从而有效实现对超声速边界层转捩的“波控”与“涡控”。

3.根据权利要求1所述的基于新型合成双射流激励器的超声速边界层转捩控制方法，其特征在于：所述新型合成双射流激励器包括左壳体、右壳体、射流出口盖板以及中间振动膜片，所述左壳体、右壳体、射流出口盖板组合成一个完整的密封壳体，所述左壳体和右壳体的内侧均开设有凹腔，左壳体内侧的凹腔和右壳体内侧的凹腔分设在中间振动膜片的左右两侧，中间振动膜片将左壳体、右壳体上的凹腔分隔成两个独立的腔体，即左腔体和右腔体；所述射流出口盖板上开设有左射流出口通道和右射流出口通道；所述左腔体与左射流出口通道联通，左腔体通过左射流出口通道与外界环境联通，右腔体与右射流出口通道联通，右腔体通过右射流出口通道与外界环境联通，其中所述中间振动膜片为压电陶瓷片，其振动是采用压电驱动方式。

4.根据权利要求3所述的基于新型合成双射流激励器的超声速边界层转捩控制方法，其特征在于：在新型合成双射流激励器的射流出口盖板上设置粗糙元。

5.根据权利要求4所述的基于新型合成双射流激励器的超声速边界层转捩控制方法，其特征在于：不同高度尺寸的粗糙元将会使双射流所形成的扰动波具有不同的波长，通过设计不同高度尺寸的粗糙元从而产生不同波长的扰动波进而实现对扰动波波长的控制，通过对新型合成双射流激励器其输入信号的控制实现对涡量的控制。

6.根据权利要求1所述的基于新型合成双射流激励器的超声速边界层转捩控制方法，其特征在于：在超声速飞行器表面或者进气道等需控制边界层转捩的区域安装布设多个新型合成双射流激励器。

7.根据权利要求6所述的基于新型合成双射流激励器的超声速边界层转捩控制方法，其特征在于：多个新型合成双射流激励器呈阵列分布，根据需求开启不同位置的激励器，实现对超声速边界层流动的有效时序控制。