CN110481761B - 一种利用表面开孔/槽的流动转捩被动控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用表面开孔/槽的流动转捩被动控制装置，流动转捩被动控制装置为双层结构，包括上层的金属材料层和下层的吸声材料层，所述流动转捩被动控制装置表面设置微孔和/或微槽，所述微孔和/或微槽贯穿金属材料层并延伸至吸声材料层。采用本发明的一种利用表面开孔/槽的流动转捩被动控制装置，表面微孔或微槽的尺寸大于传统的多孔吸声材料，易于加工；利用两层结构提高了对声扰动的吸收效率，能够更有效的控制边界层转捩；控制效果鲁棒性高，且能够起到减小摩擦阻力的效果。

Description

一种利用表面开孔/槽的流动转捩被动控制装置

技术领域

本发明涉及一种利用表面开孔/槽的流动转捩被动控制装置，属于空气动力学技术领域。

背景技术

在流体(比如空气和水)与固体相互作用过程中，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。

在高超声速条件下，边界层转捩对飞行器气动力和气动热的产生有重要影响，推迟高超声速边界层从层流向湍流的转捩可以有效的降低阻力并减轻热防护系统的负担。但是高超声速边界层转捩现象非常复杂，目前对其机理的认识尚不完备，因此在高超声速条件下发展有效的推迟边界层转捩的控制方法具有较大难度。研究表明导致高超声速边界层转捩的主要因素，即Mack第二模态扰动波，是于边界层内来回反射的声模态。因此能够吸收声波的控制方式一般也具有抑制第二模态增长的潜力。对于高超声速飞行器，其表面通常会覆盖有随机分布微米级小孔的表面防热材料(例如孔径在50-100μm范围内的碳-碳纤维复合材料)，国外风洞实验发现这种微孔表面对边界层的作用类似于超声吸收涂层(Ultrasonically Absorptive Coating，UAC)，可以有效地抑制第二模态的增长并起到推迟转捩的效果。

基于这种原理，表面开孔或开槽同样能够起到抑制声模态增长并推迟边界层转捩的效果，国内外在这方面开展了一些研究，但是也面临一些问题和不足：孔或槽的尺寸过小、不易加工；其对声扰动增长的抑制作用有限；抑制模态增长效果依赖于特定工况，鲁棒性差。

发明内容

本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种利用表面开孔/槽的流动转捩被动控制装置，本发明可推迟高超声速边界层流动从层流转变成湍流的起始位置。

本发明采用的技术方案如下：

一种利用表面开孔/槽的流动转捩被动控制装置，所述流动转捩被动控制装置为双层结构，包括上层的金属材料层和下层的吸声材料层，所述流动转捩被动控制装置表面设置微孔和/或微槽，所述微孔和/或微槽贯穿金属材料层并延伸至吸声材料层。

在上述方案中，所述流动转捩被动控制装置表面设置微孔和/或微槽，表示流动转捩被动控制装置表面设置微孔，或者流动转捩被动控制装置表面设置微槽，或者流动转捩被动控制装置表面同时设置微孔和微槽；同时设置微孔时，微孔和微槽可以交替排布，也可以一边设置微孔一边设置微槽。

作为优选，所述流动转捩被动控制装置的厚度为1-5mm；流动转捩被动控制装置中的金属材料层和吸声材料层的厚度可以自由设定，根据实际需求设计两层的厚度，只需控制流动转捩被动控制装置的总厚度为1-5mm。

作为优选，所述微孔和/或微槽为上部开放，底部封闭的结构；即微孔和/或微槽在金属材料层位开放状态，在吸声材料层为封闭状态。

作为优选，所述微孔和/或微槽规则分布于流动转捩被动控制装置表面。

作为优选，所述吸声材料层由多孔性吸声材料制成，吸声材料层具有大量贯通的极微孔，极微孔的直径远小于微孔的直径。

作为优选，所述微孔的截面为圆形。

作为优选，所述微孔的直径为200-400μm。

作为优选，所述微槽的截面为矩形，微槽的长度与宽度的比值大于100。

作为优选，所述微槽的宽度为200-400μm。

作为优选，所述微槽的长度方向与流体流动方向垂直。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：表面微孔或微槽的尺寸大于传统的多孔吸声材料，易于加工；利用两层结构提高了对声扰动的吸收效率，能够更有效的控制边界层转捩；控制效果鲁棒性高，且能够起到减小摩擦阻力的效果。

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是流动转捩被动控制装置设置微孔的示意图；

图2是流动转捩被动控制装置设置微槽的示意图；

图3是流动转捩被动控制装置同时设置微孔和微槽的示意图；

图4是流动转捩被动控制装置在飞行器表面上的安装示意图。

图中标记：1-金属材料层、2-吸声材料层、3-微孔、4-微槽、5-极微孔。

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。

实施例1

如图1所示，本实施例的一种利用表面开孔/槽的流动转捩被动控制装置，包括上层的金属材料层1和下层的吸声材料层2，金属材料层1厚度为1mm，吸声材料层2的厚度为4mm；流动转捩被动控制装置表面设置规则分布于表面的微孔3，微孔3贯穿金属材料层1并延伸至吸声材料层2，微孔3为上部开放，底部封闭的结构，其截面为圆形，深度为3.5mm，直径为200μm；吸声材料层2由多孔性吸声材料制成，吸声材料层2具有大量贯通的极微孔5。

实施例2

如图2所示，本实施例的一种利用表面开孔/槽的流动转捩被动控制装置，包括上层的金属材料层1和下层的吸声材料层2，金属材料层1厚度为0.4mm，吸声材料层2的厚度为0.6mm；流动转捩被动控制装置表面设置规则分布于表面的微槽4，微槽4贯穿金属材料层1并延伸至吸声材料层2，微槽4为上部开放，底部封闭的结构，其截面为矩形，微槽4长度方向与流体流动方向垂直,深度为0.8mm，宽度为400μm，长度为4cm；吸声材料层2由多孔性吸声材料制成，吸声材料层2具有大量贯通的极微孔5。

实施例3

如图3所示，本实施例的一种利用表面开孔/槽的流动转捩被动控制装置，包括上层的金属材料层1和下层的吸声材料层2，金属材料层1厚度为1mm，吸声材料层2的厚度为2mm；流动转捩被动控制装置表面同时设置规则分布于表面的微孔3和微槽4，微孔3和微槽4贯穿金属材料层1并延伸至吸声材料层2；其中，微孔3为上部开放，底部封闭的结构，其截面为圆形，深度为2.5mm，直径为300μm；微槽4为上部开放，底部封闭的结构，其截面为矩形，微槽4长度方向与流体流动方向垂直,深度为2.5mm，宽度为300μm，长度为6cm；吸声材料层2由多孔性吸声材料制成，吸声材料层2具有大量贯通的极微孔5。

如图4所示，上述实施例所制得的利用表面开孔/槽的流动转捩被动控制装置贴于飞行器的表面。

综上所述，采用本发明的一种利用表面开孔/槽的流动转捩被动控制装置，表面微孔或微槽的尺寸大于传统的多孔吸声材料，易于加工；利用两层结构提高了对声扰动的吸收效率，能够更有效的控制边界层转捩；控制效果鲁棒性高，且能够起到减小摩擦阻力的效果。

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 (7)

1.一种利用表面开孔/槽的流动转捩被动控制装置，其特征在于：所述流动转捩被动控制装置为双层结构，包括上层的金属材料层（1）和下层的吸声材料层（2），所述流动转捩被动控制装置表面设置微孔（3）和/或微槽（4），所述微孔（3）和/或微槽（4）贯穿金属材料层（1）并延伸至吸声材料层（2）；所述微孔（3）的直径为200-400μm，所述微槽（4）的宽度为200-400μm；所述微孔（3）和/或微槽（4）为上部开放，底部封闭的结构。

2.如权利要求1所述的利用表面开孔/槽的流动转捩被动控制装置，其特征在于：所述流动转捩被动控制装置的厚度为1-5mm。

3.如权利要求1所述的利用表面开孔/槽的流动转捩被动控制装置，其特征在于：所述微孔（3）和/或微槽（4）规则分布于流动转捩被动控制装置表面。

4.如权利要求1所述的利用表面开孔/槽的流动转捩被动控制装置，其特征在于：所述吸声材料层（2）由多孔性吸声材料制成，吸声材料层（2）具有大量贯通的极微孔（5）。

5.如权利要求1所述的利用表面开孔/槽的流动转捩被动控制装置，其特征在于：所述微孔（3）的截面为圆形。

6.如权利要求1所述的利用表面开孔/槽的流动转捩被动控制装置，其特征在于：所述微槽（4）的截面为矩形，所述微槽（4）的长度与宽度的比值大于100。

7.如权利要求1所述的利用表面开孔/槽的流动转捩被动控制装置，其特征在于：所述微槽（4）的长度方向与流体流动方向垂直。

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