CN112208748A - 一种主被动组合的超高速边界层转捩宽频控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种主被动组合的超高速边界层转捩宽频控制方法，在超高速飞行器表面需要控制边界层转捩的区域安装转捩宽频控制结构，转捩宽频控制结构包括合成双射流激励器与微孔隙板，微孔隙板设在飞行器的表面上并覆盖合成双射流激励器的射流出口；微孔隙板通过被动控制抑制第二模态，合成双射流激励器通过主动控制抑制第一模态；通过主被动控制相结合实现第一模态、第二模态兼顾的宽频范围转捩控制。既增强孔隙表面对宽频扰动波的抑制能力，又减小表面粗糙度，理论上有望集成剪切增稳与吸声机理，工程上有利于实现热防护和延迟转捩双目标，并且可以通过合理布置合成双射流激励器的吸气区域和喷气区域，能够有效的扩大控制参数范围。

Description

一种主被动组合的超高速边界层转捩宽频控制方法

技术领域

本发明涉及边界层流动控制技术领域，具体是一种基于微孔隙与合成双射流主被动组合的超高速边界层转捩宽频控制方法。

背景技术

边界层转捩通常是指边界层流动由层流状态发展为湍流状态的过程，是一个多因素耦合影响的强非线性复杂流动物理现象。转捩问题是经典力学遗留的少数基础科学问题之一，与湍流问题一起被称为“百年(或世纪)难题”。超高速边界层从层流到湍流的转捩一直是制约飞行器设计的关键基础问题之一，超高速边界层转捩及其控制也是事关高超重大工程成败的关键。

孔隙表面被认为是最接近工程应用的转捩控制技术。孔隙表面是一种由规则或随机分布的微腔构成的薄层，进入微腔内的声学扰动引起内部空气的剧烈运动，使其与腔体壁面摩擦，在粘性耗散作用下，声学扰动的部分机械能转化为热能。另外，流动中有声学扰动经过时，会产生压缩和膨胀的变化，压缩区温度升高，膨胀区温度降低，相邻压缩区和膨胀区之间的温度梯度会导致热量从温度高的部分向温度低的部分发生热传导。这个过程是不可逆的，声学扰动的部分机械能也会转化为热能。因此在粘性耗散和热传导的共同作用下，第二模态波的机械能转化为热能，第二模态不稳定波受到抑制，进而延迟边界层转捩。多孔包覆材料控制超高速边界层流动稳定性最早由俄罗斯Fedorov教授提出并予以实验验证。随后Yumashev和Bres、Tritarelli等都对其进行了研究，发现其能够减小第二模态的能量。但是其也使得第一模态发生了失稳，Stephen对这一现象进行了详细的研究。Wang通过大量数值计算，认为最有效的控制手段就是在同步点的下游位置布置多孔包覆材料。Gaponov对多孔壁面控制Ma2超声速平板边界层转捩进行了数值模拟和实验研究，对比了无孔的不锈钢板、开孔率39％的10μm孔不锈钢和32％开孔率的40μm的钛，实验结果与线性稳定性分析结果基本一致，多孔壁面能够使得边界层内的扰动失稳，促进转捩发生，孔径大小增加时，扰动的增长率也增加。。

国内学者近年来也开始关注微孔隙表面抑制转捩研究。2016年，中国航天空气动力技术研究院朱德华等人使用基于阻抗边界的LST和DNS方法比较了三维顺排和错排的矩形微孔对第二模态扰动的作用，研究表明两种排布方式都可以抑制第二模扰动的发展，但顺排多孔表面推迟超高速边界层转捩能力更强。2018年，北京理工大学赵瑞等人考虑孔隙表面微结构之间的声学干扰，重新推导了规则孔隙表面(微缝隙/圆孔/方孔)的作用机理模型，提高了对孔隙表面声学特性的预测精度，并提出一种数值优化设计方法，可得到单频最优吸声效果下的微结构几何参数；随后(2019年)他们使用空间DNS方法直接求解微孔隙对第一/二模态的空间影响规律，发现孔隙表面布置位置对不稳定模态的抑制效果影响重大；另外，他们进一步提出声学超表面概念，并设计一种近零阻抗孔隙结构表面。与以往通过孔隙内粘性耗散吸收第二模态扰动波的机理不同，近零阻抗超表面通过使入射声波与反射声波在表面处相位相反，强度相互抵消，实现抑制第二模态发展的目的。针对孔隙表面容易激发第一模态的缺陷，赵瑞等还研究了表面阻抗相位对第一模态/第二模态的影响规律，并针对马赫数4平板边界层流动，设计了一种在不激发第一模态的前提下，有效抑制第二模态的孔隙结构。

为了有效抑制转捩，也有人尝试采用主动控制方法。常见的延迟转捩主动控制方法有降阶模型法、扰动抵消法、二氧化碳注入法、壁面吸气法等。但是，与被动控制方法相比，超高速情况下的主动控制方法更不成熟。降阶模型法和扰动抵消法还在低速流中探索；二氧化碳振动激发通常在800K以上才比较明显，风洞实验原则上应该在高焓风洞中开展，且若想取得较好控制效果，需要注入大量二氧化碳；壁面吸气若不当，可能产生小激波、声波或其它扰动。值得一提的是，国防科技大学罗振兵团队发明的合成双射流激励器，解决了传统合成射流在高速流场中存在激励器振动膜压载失效的问题，将合成射流从低速流场拓展到了高速流场控制。针对可压缩边界层转捩控制现实需求，该团队提出的基于合成冷/热双射流的边界层速度型和温度型耦合控制方法，能够有效抑制低频的第一模态。

由此可以看出，微孔隙表面已被多人经过多种手段证明有效，最有可能满足超高速降热减阻的需求，但微孔隙走向工程应用前还必须解决诱发低频扰动、非设计条件下控制效果不佳(甚至促进转捩)等问题。为了使微孔隙表面真正走向工程应用，需要扩展它的有效宽频范围。合成双射流正好可以弥补这一缺陷。

发明内容

针对上述现有技术中的不足，本发明提供一种基于微孔隙与合成双射流主被动组合的超高速边界层转捩宽频控制方法，通过主被动相结合的控制方法，实现第一模态、第二模态兼顾的宽频范围转捩抑制。

为实现上述目的，本发明提供一种基于微孔隙与合成双射流主被动结合的超高速边界层转捩宽频控制方法，在超高速飞行器表面需要控制边界层转捩的区域安装转捩宽频控制结构，所述转捩宽频控制结构包括合成双射流激励器与微孔隙板，所述微孔隙板设在飞行器的表面上并覆盖合成双射流激励器的射流出口；其中，微孔隙板通过被动控制抑制第二模态的扰动，合成双射流激励器通过主动控制抑制第一模态的扰动；通过主被动控制相结合实现第一模态、第二模态兼顾的宽频范围转捩控制。

在其中一个实施例中，所述合成双射流激励器通过主动控制抑制第一模态的扰动，具体为：

利用合成双射流产生的周期性吹吸效应，对超高速边界层速度剖面进行修正，增加速度剖面的饱和度，实现对第一模态的抑制作用。

在其中一个实施例中，所述微孔隙板通过被动控制抑制第二模态的扰动，具体为：

利用第二模态是一种高频的声波扰动并在声速线内不断振荡这一特性，当声波进入孔隙中时，扰动会引起内部空气的剧烈运动，在粘性耗散和热传导的共同作用下，衰减反射声波的能量，从而抑制第二模态不稳定波。

在其中一个实施例中，所述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；所述微孔隙板覆盖在左射流出口通道、右射流出口通道上。

在其中一个实施例中，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。

在其中一个实施例中，在超高速飞行器表面需要控制边界层转捩的区域安装布设多个转捩宽频控制结构。

在其中一个实施例中，多个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。

本发明提供的一种基于微孔隙与合成双射流结合的主被动组合的超高速边界层转捩宽频控制方法超高速，通过将合成双射流激励器与微孔隙板作为转捩宽频控制结构，实现第一模态、第二模态兼顾的宽频范围转捩抑制；既增强孔隙表面对宽频扰动波的抑制能力，又减小表面粗糙度，理论上有望集成剪切增稳与吸声机理，工程上有利于实现热防护和延迟转捩双目标，并且可以通过合理布置合成双射流激励器的吸气区域和喷气区域，能够有效的扩大控制参数范围。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明实施例中转捩宽频控制结构的安装结构示意图；

图2为本发明实施例中多个转捩宽频控制结构在需要控制边界层转捩的区域上的分布阵列示意图。

附图标号说明：需要控制边界层转捩的区域1、合成双射流激励器2、左壳体21、右壳体22、射流出口盖板23、中间振动膜片24、左腔体25、右腔体26、左射流出口通道27、右射流出口通道28、微孔隙板3。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

如图1所示的为本实施例公开的基于微孔隙与合成双射流结合的主被动组合的超高速边界层转捩宽频控制方法超高速，在超高速飞行器表面或者进气道等需要控制边界层转捩的区域1安装转捩宽频控制结构，所述转捩宽频控制结构包括合成双射流激励器2与微孔隙板3，其中，合成双射流激励器2相对于其所处的超高速平板齐平安装；微孔隙板3设在超高速平板上并覆盖合成双射流激励器2的吸气区域和喷气区域；其中，微孔隙板3通过被动控制抑制第二模态的扰动，合成双射流激励器2通过主动控制抑制第一模态的扰动；将具有周期性吹/吸功能的合成双射流激励器2和微孔隙板3组合来实现实现第一模态、第二模态兼顾的宽频范围转捩控制。

其中：

合成双射流激励器通过主动控制抑制第一模态的扰动具体为：利用合成双射流产生的周期性吹吸效应，对超高速边界层速度剖面进行修正，增加速度剖面的饱和度，实现对第一模态的抑制作用。

所述微孔隙板通过被动控制抑制第二模态的扰动具体为：利用第二模态是一种高频的声波扰动并在声速线内不断振荡这一特性，当声波进入孔隙中时，扰动会引起内部空气的剧烈运动，在粘性耗散和热传导的共同作用下，衰减反射声波的能量，从而抑制第二模态不稳定波。

本实施例中通过合成双射流激励器2与微孔隙板3相结合的方式弥补单层微孔隙控制方法的不足，进一步增加宽频扰动波的抑制能力。目前微孔隙的不足之处主要有两点：一是导致低频扰动轻微增长，二是在设计工况之外的控制效果不明朗，有的时候甚至导致转捩提前。本实施例中的“微孔隙板3+合成双射流激励器2”的结构设置可以利用主动控制方法弥补被动控制方法的不足。由于合成双射流激励器2可以抑制第一模态，但会促进第二模态，这种特性正好可以与微孔隙板3互补。还可以通过合成双射流激励器2与微孔隙的组合方式，在层流区合成双射流充当微吸气的效果，通过减小边界层厚度和调节边界层型面来抑制转捩，吸入的气体喷入尾流分离区，还可以减小流动分离，实现增升减阻。既增强孔隙表面对宽频扰动波的抑制能力，又减小表面粗糙度，理论上有望集成剪切增稳与吸声机理，工程上有利于实现热防护和延迟转捩双目标，并且可以通过合理布置合成双射流激励器2的吸气区域和喷气区域，能够有效的扩大控制参数范围。

本实施例中，合成双射流激励器2包括左壳体21、右壳体22、射流出口盖板23以及中间振动膜片24，所述左壳体21、右壳体22、射流出口盖板23组合成一个完整的密封壳体，所述左壳体21和右壳体22的内侧均开设有凹腔，左壳体21内侧的凹腔和右壳体22内侧的凹腔分设在中间振动膜片24的左右两侧，中间振动膜片24将左壳体21、右壳体22上的凹腔分隔成两个独立的腔体，即左腔体25和右腔体26；所述射流出口盖板23上开设有左射流出口通道27和右射流出口通道28，所述左腔体25与左射流出口通道27联通，左腔体25通过左射流出口通道27与外界环境联通，右腔体26与右射流出口通道28联通，右腔体26通过右射流出口通道28与外界环境联通；所述微孔隙板3覆盖在左射流出口通道27、右射流出口通道28上。中间振动膜片24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2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。

在具体实施例中可在边界层需要控制的区域布置了多个转捩宽频控制结构，如图2所示。在实际应用中，转捩宽频控制结构的数目、分布和出口角度以及微孔隙板3上的孔隙形状、孔隙尺寸以及孔隙分布结构将根据具体应用对象的需要而优化设置。图2中，多个新型合成双射流激励器2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。所用合成双射流激励器2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。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (5)

1.一种主被动组合的超高速边界层转捩宽频控制方法，其特征在于，在超高速飞行器表面需要控制边界层转捩的区域安装转捩宽频控制结构，所述转捩宽频控制结构包括合成双射流激励器与微孔隙板，所述微孔隙板设在飞行器的表面上并覆盖合成双射流激励器的射流出口；其中，微孔隙板通过被动控制抑制第二模态的扰动，合成双射流激励器通过主动控制抑制第一模态的扰动；通过主被动控制相结合实现第一模态、第二模态兼顾的宽频范围转捩控制。

2.根据权利要求1所述主被动组合的超高速边界层转捩宽频控制方法，其特征在于，所述合成双射流激励器通过主动控制抑制第一模态的扰动超高速，具体为：

利用合成双射流产生的周期性吹吸效应，对超高速边界层速度剖面进行修正，增加速度剖面的饱和度，实现对第一模态的抑制作用。

3.根据权利要求1所述主被动组合的超高速边界层转捩宽频控制方法，其特征在于，超高速所述微孔隙板通过被动控制抑制第二模态的扰动，具体为：

利用第二模态是一种高频的声波扰动并在声速线内不断振荡这一特性，当声波进入孔隙中时，扰动会引起内部空气的剧烈运动，在粘性耗散和热传导的共同作用下，衰减反射声波的能量，从而抑制第二模态不稳定波。

4.根据权利要求1或2或3所述主被动组合的超高速边界层转捩宽频控制方法超高速，其特征在于，在超高速飞行器表面需要控制边界层转捩的区域安装布设多个转捩宽频控制结构。

5.根据权利要求4所述主被动组合的超高速边界层转捩宽频控制方法超高速，其特征在于，多个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，实现对超高速边界层转捩阵面的有效控制。

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