CN110985208B - 一种基于等离子体涡流发生器内转式进气道组件及控制方法 - Google Patents

一种基于等离子体涡流发生器内转式进气道组件及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于等离子体涡流发生器的内转式进气道组件及其控制方法。该组件包括机体平面和内转式进气道主体，其中在机体平面下方、沿压缩面上游一定距离处设有一组或多组电弧火花放电式等离子体涡流发生器。该方法利用等离子体射流与自由来流相互作用形成的流向旋涡，促进主流与边界层内低能流的动量交换，增强边界层抗逆压梯度能力，对下游内压缩面诱导的激波/边界层干扰分离区有一定延缓或抑制作用，进而有效的提升进气道性能。与传统方法相比，本发明所提出的控制方法，无需额外气源，无流量损失，不产生额外的阻力，并且控制手段精准高效，对内转式进气道宽速域、一体化设计有着重要促进作用。

Description

一种基于等离子体涡流发生器内转式进气道组件及控制方法
技术领域
本发明属于超声速流动控制领域，特别涉及一种内转式进气道组件及该进气道组件的控制方法。
背景技术
随着进气道气动技术的不断发展，基于流线追踪方法设计的三维内转式进气道逐渐受到研究者们的关注，内转式进气道的压缩面为典型的三维曲面，其通过在基准轴对称内锥流场中追踪给定的进气道入口型线发出的流线生成。理论上，根据流线追踪设计的内转式进气道既能通过保持基准流场的三维压缩特性从而获得较高的压缩效率和流场均匀性，又具备进出口形状定制的设计自由度，并且在偏离设计状态的低马赫数下具有较高的流量捕获能力，相比传统形式的进气道其拥有很多优势。但是在实际工程应用中，由于粘性效应的存在，进气道口部不可避免的会产生由内压缩面诱导的曲面激波/机体边界层干扰，干扰区极易发生边界层三维分离，并在进气道入口形成对涡及低压区，尤其是内压缩面中心处两侧的低能流汇聚，导致一系列的不利影响，如进气道总压恢复系数降低、进气道耐反压能力下降等，迫使进气道性能降低。因此，对内转式进气道边界层控制方法的研究是十分必要的。
为进一步提高内转式进气道的性能，目前研究者们对于内转式进气道控制方法主要集中在吹放气控制、涡流发生器控制、变几何控制等方面。这些控制方法各自都有一定的局限性，对于目前常用的吹放气控制方法，基于该控制方法的进气道由于需要布置吹放气结构和气流通道，所以构型一般比较复杂，并且吹气控制时对气源有一定要求，放气控制时则会不可避免的损失一部分高品质流量；对于涡流发生器控制方法，装有涡流发生器的机体设计和生产时有一定的难度；而变几何控制方法对于进气道的设计方法及加工工艺要求更高。
发明内容
为了增强内转式进气道边界层抗逆压梯度能力，延缓或抑制内转式进气道口部由于内压缩面诱导的激波/边界层干扰，提高进气道性能，本发明提出了一种基于等离子体涡流发生器的内转式进气道组件。
本发明同时提供了使用本发明内转式进气道的控制方法。
为实现上述目的，本发明内转式进气道组件可采用如下技术方案：
一种基于等离子体涡流发生器的内转式进气道组件，包括机体平面及安装在机体平面上的内转式进气道；内转式进气道包括内转式进气道弯曲内压缩面、内转式进气道侧壁、内转式进气道唇罩和进气道向后延伸的气流通道；其特征在于，所述机体平面的内部还设有等离子体涡流发生器，且机体平面上开设有位于等离子体涡流发生器上方的开口，等离子体涡流发生器的射流出口位于该开口下方；所述开口位于内转式进气道的内压缩面前方，且开口到内压缩面的最前端之间具有一段距离。
进一步地，内转式进气道为超声速内转式进气道，所述等离子体涡流发生器为两电极水平式电弧火花等离子体激励装置。。
进一步地，所述等离子体激励装置为一组或多组呈对称阵列形式布置，若是多组等离子体激励装置则该等离子体激励装置为等间距布置。
进一步地，所述开口为纵长形开口，且该开口的纵长方向与来流方向夹角为0～90°。。
进一步地，该涡流发生器展向位置不超过内压缩面两侧边缘。
本发明提供的使用上述基于等离子体涡流发生器控制的内转式进气道的控制方法可采用如下技术方案：
(1)、根据内转式进气道口部流场特性布置等离子体涡流发生器的数量、射流出口位置及角度；
(2)、当该进气道在等于或高于设计马赫数工作时，开启等离子体涡流发生器，等离子体涡流发生器产生高温高速射流与自由来流相互作用形成流向旋涡。
从而射流激励装置产生高温高速高动量射流与自由来流相互作用形成的流向旋涡，促进主流与边界层内部低能流的动量交换，从而增强边界层抗逆压梯度能力，对下游内压缩面诱导的激波/边界层干扰分离区有一定的延缓或抑制作用，进而提高进气道流场品质，提升进气道性能。
有益效果：与传统控制技术相比，本发明所述的一组或多组等离子体涡流发生器，其在控制平面上产生的高温高速高动量射流与自由来流相互作用形成流向旋涡，该流向旋涡可以促进边界层与主流进行动量掺混，从而使边界层抗逆压梯度能力得到提高，对下游由内压缩面诱导的曲面激波/边界层干扰有一定的延缓或抑制作用，使进气道总压恢复系数有效提高，在提升整个进气道流场品质的同时也提高了进气道的耐反压能力，进而提升了整个内转式进气道的性能。该控制方法不需额外气源、没有流量损失、加工工艺简单并且可控性强，所以使用等离子体涡流发生器控制内转式进气道的边界层在型面设计、产品加工及精准可控性等方面有着巨大优势。
附图说明
图1是本发明基于等离子体涡流发生器的内转式进气道布置方案三维示意图。
图2是该进气道的俯视图。
图3是该进气道的中心面剖面示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明进一步地说明。
如图1、2、3所示，为本发明提供的一种基于等离子体涡流发生器的内转式进气道组件的实施方式。该进气道组件包括机体平面2及安装在机体平面2上的内转式进气道。内转式进气道包括唇罩5、位于唇罩两侧的侧壁4、内压缩面3，唇罩5、侧壁4与内流通道表面围成内流进气通道，内流进气通道后端连接有气流通道6。所述内压缩面3为连接内流通道表面与机体平面2的连接压缩面(内压缩指的该压缩面相对机体平面向内压缩形成)。唇罩5的前缘为进气道入口，内压缩面3与内流通道表面连接并自该进气道入口处向前倾斜延伸直至与机体平面2连接。所述机体平面2的内部还设有等离子体涡流发生器3，且机体平面上开设有位于等离子体涡流发生器上方的开口7，等离子体涡流发生器的射流出口位于该开口7下方，即自射流出口射出的高温高压射流自开口7向机体平面2射出。所述开口位于内转式进气道的内压缩面前方，且开口7到内压缩面3的最前端之间具有一段距离
涡流发生器1布置在机体平面下方，射流出口位置布置在机体平面上方；即涡流发生器1的物理结构不会对机体平面2的平整度造成影响，使来流只会受到射流的主动影响而不会受到涡流发生器1物理结构的被动影响。由于开口7到内压缩面3的最前端之间具有一段距离，即射流出口7距离内压缩面诱导的曲面激波/边界层干扰区前一定距离位置。具体距离视不同尺寸、不同特征构型进气道而定。若开口7布置在距离该干扰区前缘一定距离位置时，则射流方向为逆来流方向，且涡流发生器1展向位置(即图2中箭头A所示方向)不超过内压缩面3两侧边缘即图2中B所示位置)。如图2所示，涡流发生器长向方向与超声速来流方向夹角为0～90°。
所述等离子体涡流发生器1为一组或多组(基于中心线对称阵列式布置)电弧火花放电式等离子体激励装置，电弧火花式等离子体激励装置通过高电势差瞬间击穿电极之间的空气而形成周期性地高温高速高动量射流，射流与自由来流相互作用产生流向旋涡，可以使边界层内部低能流与主流进行动量掺混，提高边界层抗逆压梯度能力，一定程度的延缓或抑制下游由内压缩面诱导的曲面激波/边界层干扰，进而提升进气道性能。相比于传统控制方法，等离子体涡流发生器1控制技术无需额外气源、没有流量损失、加工工艺简单并且可控性强等。
而使用上述实施方式的内转式进气道流场控制方法为：
(1)根据内转式进气道口部流场特性布置等离子体涡流发生器1的数量、射流出口位置及角度；
(2)当该进气道在等于或高于设计马赫数工作时，开启等离子体涡流发生器1，该等离子体涡流发生器1产生高温高速高动量射流与自由来流相互作用形成流向旋涡。
(3)该等离子体涡流发生器1产生高温高速高动量射流与自由来流相互作用形成的流向旋涡，促进主流与边界层内部低能流的动量交换，从而增强边界层抗逆压梯度能力，对下游内压缩面诱导的激波/边界层干扰分离区有一定的延缓或抑制作用，进而提高进气道流场品质，提升进气道性能。
发明具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的实施方式之一。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (6)

1.一种基于等离子体涡流发生器的内转式进气道组件，包括机体平面及安装在机体平面上的内转式进气道；内转式进气道包括内转式进气道弯曲内压缩面、内转式进气道侧壁、内转式进气道唇罩和进气道向后延伸的气流通道；其特征在于，所述机体平面的内部还设有等离子体涡流发生器，且机体平面上开设有位于等离子体涡流发生器上方的开口，等离子体涡流发生器的射流出口位于该开口下方；所述开口位于内转式进气道的内压缩面前方，且开口到内压缩面的最前端之间具有一段距离；即射流出口距离内压缩面诱导的曲面激波/边界层干扰区前一定距离位置，且则射流方向为逆来流方向。
2.根据权利要求1所述的内转式进气道组件，其特征在于，所述内转式进气道为超声速内转式进气道，所述等离子体涡流发生器为两电极水平式电弧火花等离子体激励装置。
3.根据权利要求2所述的内转式进气道组件，其特征在于，所述等离子体激励装置为一组或多组呈对称阵列形式布置，若是多组等离子体激励装置则该等离子体激励装置为等间距布置。
4.根据权利要求3所述的内转式进气道组件，其特征在于，所述开口为纵长形开口，且该开口的纵长方向与来流方向夹角为0~90°。
5.根据权利要求4所述的内转式进气道组件，其特征在于，等离子体涡流发生器展向位置不超过内压缩面两侧边缘。
6.一种根据权利要求1至5中任一项所述内转式进气道组件的控制方法，其特征在于，包括以下几个步骤：
（1）根据内转式进气道口部流场布置等离子体激励装置的数量、射流出口位置及角度；
（2）当进气道来流马赫数等于或高于设计马赫数时，受内压缩面型面影响，沿内压缩面中心位置有大量低能流汇聚，此时开启等离子体涡流发生器，等离子体涡流发生器产生高温高速射流与自由来流相互作用形成流向旋涡。
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