CN113562166A - 一种流向拐角结构 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及一种流向拐角结构，包括：流向拐角和涡流发生器；流向拐角由底壁与侧壁相交组成；涡流发生器设在底壁和/或侧壁的边界层中，以形成与角涡旋转方向相同或相反的尾迹涡；涡流发生器为板状结构，且垂直设在底壁和/或侧壁上；当尾迹涡的旋转方向与角涡的旋转方向相同时，涡流发生器设在底壁/侧壁上，涡流发生器上位于来流上游方向的一端朝侧壁/底壁的方向偏移；当尾迹涡的旋转方向与角涡的旋转方向相反时，涡流发生器设在底壁/侧壁上，涡流发生器上位于来流下游方向的一端朝侧壁/底壁的方向偏移。采用本申请的结构可以有效增强或减弱流向拐角边界层角涡，且简单实用，实现对边界层的持续控制。

Description

一种流向拐角结构
技术领域
本申请涉及边界层控制技术领域，特别是涉及一种流向拐角结构。
背景技术
流向拐角边界层广泛存在于飞行器内外流中，如翼身融合处、涡轮机械中叶片的根部/尖端、飞机进气口以及任何矩形通道的拐角。这种拐角使得原本在各自壁面上发展的边界层在这个位置相互作用，在湍流情况下，形成复杂的三维流动，同时还会产生普朗特第二类二次流动。这种二次流动的典型结构是一对反向旋转的涡对，即角涡，如图1所示。
流动经过由两个壁面形成的流向拐角，会在前缘产生一些涡结构，然而这些前缘涡无法维持，随着向下游发展会被耗散。而拐角产生的角涡，是由于相邻壁面相互作用引起的，能在流向拐角中始终存在并逐渐发展。图2是流向横截面位置处的流动结构，横向速度矢量显示出，这两个涡的旋转方向是相反的。如图3所示，在角涡的作用下流向拐角边界层发生弯曲。
角涡能将高能流卷入拐角，同时将拐角处的低能流卷入主流，对于流动的掺混具有重要的意义。例如对于具有矩形截面的燃烧室而言，可以利用拐角产生的角涡，将拐角处喷注的燃料或助燃剂卷入主流中，与主流实现很好的掺混，增强燃烧室的性能。但是，角涡也会导致拐角附近的热流密度和摩擦力分布发生较大变化，给飞行器表面的传热和阻力分布预估带来较大误差。
因此，如何对边界层形成的角涡进行控制，在需要增强的时候对角涡进行增强，在需要减弱的时候对角涡进行减弱，具有十分重要的意义。
然而目前对于角涡的控制方法并没有太多研究，一般是在拐角处设置小圆角、在流向安装动力挡板或者在拐角位置添加圆弧肋片。这些方式仅能在一定程度上减小流向拐角附近的角涡，无法从根本上消除角涡对流向拐角边界层的影响；同时，往往需要沿着流向拐角一直布置控制结构才能达到持续控制效果，如果将控制结构撤去，角涡又会重新生成；而且，控制结构往往较大，改变了原有的流向拐角，对于内流还会使得有效面积减小；此外，目前的方法仅能对角涡实现减弱，而无法实现增强。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种流向拐角结构，可以增强或减弱流向拐角边界层形成的角涡，实现对边界层角涡的有效控制。
一种流向拐角结构，包括：流向拐角和涡流发生器；
所述流向拐角由底壁与侧壁相交组成；
所述涡流发生器设在所述底壁和/或所述侧壁的边界层中，以形成与角涡旋转方向相同或相反的尾迹涡。
在其中一个实施例中，所述尾迹涡的旋转方向与所述角涡的旋转方向相同，所述涡流发生器为板状结构，且所述涡流发生器垂直设在所述底壁和/或所述侧壁上；
当所述涡流发生器设在所述底壁上时，所述涡流发生器上位于来流上游方向的一端朝所述侧壁的方向偏移；
当所述涡流发生器设在所述侧壁上时，所述涡流发生器上位于来流上游方向的一端朝所述底壁的方向偏移。
在其中一个实施例中，所述尾迹涡的旋转方向与所述角涡的旋转方向相反，所述涡流发生器为板状结构，且所述涡流发生器垂直设在所述底壁和/或所述侧壁上；
当所述涡流发生器设在所述底壁上时，所述涡流发生器上位于来流下游方向的一端朝所述侧壁的方向偏移；
当所述涡流发生器设在所述侧壁上时，所述涡流发生器上位于来流下游方向的一端朝所述底壁的方向偏移。
在其中一个实施例中，当所述涡流发生器设在所述底壁上时，其质心的位置坐标为(x，y，z)；当所述涡流发生器设在所述侧壁上时，其质心的位置坐标为(x，z，y)；以流向拐角前缘为坐标原点，所述位置坐标满足以下关系：
y＝αδ
Figure BDA0003169557350000031
Figure BDA0003169557350000032
式中，x是涡流发生器沿来流方向距离流向拐角前缘的坐标；y是涡流发生器沿垂直方向的坐标；z是涡流发生器沿水平方向的坐标；α、β是常数；δ是当地边界层厚度的预估值；θ是流向拐角的底壁与侧壁的二面角；Re是来流的雷诺数。
在其中一个实施例中，所述涡流发生器的数量为两个以上，所述涡流发生器分成两组，其中一组涡流发生器设在所述底壁上，另一组设在所述侧壁上，两组涡流发生器的数量之差为0或1。
在其中一个实施例中，最靠近上游的一个或一对涡流发生器固定设在来流上游前20％的位置。
在其中一个实施例中，所述涡流发生器的长度为3y-5y，高度为2y，厚度为1/5y-1/3y。
在其中一个实施例中，所述涡流发生器为长方体结构、三棱柱结构、四棱锥结构、弧形板结构或波浪形板结构。
在其中一个实施例中，当所述涡流发生器为三棱柱结构或四棱锥结构时，所述涡流发生器的尖端朝向来流方向。
在其中一个实施例中，所述涡流发生器通过螺栓连接或粘胶连接固定连接在所述底壁和/或所述侧壁上。
上述流向拐角结构，通过底壁和侧壁组成的流向拐角及设在流向拐角边界层中的涡流发生器，使得来流在经过涡流发生器后会形成与角涡旋转方向相同或相反的尾迹涡，尾迹涡与角涡相互叠加或抵消，从而有效地增强或减弱流向拐角边界层的角涡，进而促进流动的掺混或改善流向拐角附近的摩擦力和热流密度分布，增强燃烧室的性能或使飞行器表面流动结构的控制更加精确。本结构简单实用，不会影响原来的流向拐角结构，且尾迹涡在流场中能够持续存在，因而可以有效实现角涡的持续增强或减弱，实现对流场中边界层角涡的持续控制。
附图说明
图1为流向拐角中角涡发展仿真结果的示意图；
图2为流向横截面位置处的流动结构的示意图；
图3为角涡对于流向拐角边界层的弯曲作用的示意图；
图4为一个实施例中流向拐角结构的增强效果的示意图；
图5为一个实施例中流向拐角结构的减弱效果的示意图；
图6为一个实施例中角涡与尾迹涡的叠加示意图；
图7为一个实施例中角涡与尾迹涡的抵消示意图；
图8为一个实施例中增强效果的尾迹涡方向的示意图；
图9为一个实施例中减弱效果的尾迹涡方向的示意图；
图10为一个实施例中无控情况下角涡仿真的示意图；
图11为一个实施例中设置了涡流发生器的增强角涡仿真的示意图；
图12为一个实施例中设置了涡流发生器的减弱角涡仿真的示意图；
图13为一个实施例中多个涡流发生器布置的示意图；
图14为一个实施例中涡流发生器的形状示意图之一；
图15为一个实施例中涡流发生器的形状示意图之二；
图16为一个实施例中涡流发生器的形状示意图之三。
附图编号：
边界层1，底壁2，侧壁3，涡流发生器4，角涡5，尾迹涡6。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
本申请提供的一种流向拐角结构，在一个实施例中，包括：涡流发生器4以及由底壁2与侧壁3组成的流向拐角；涡流发生器4设在底壁2和/或侧壁3的边界层1中，以形成与角涡5旋转方向相同或相反的尾迹涡6。
如图4至图7所示，流向拐角由两个壁面相交构成，即底壁2和侧壁3。流动在流向拐角上形成一种流动结构，即流向拐角的边界层1，边界层1沿来流方向渐渐增厚。流向拐角边界层1形成的角涡5是一对方向相反的涡对，且关于拐角角平分线对称。涡流发生器4设在边界层1中，来流经过涡流发生器4时，与涡流发生器4相互作用，产生尾迹涡6。
上述流向拐角结构，通过底壁2和侧壁3组成的流向拐角及设在流向拐角边界层1中的涡流发生器4，使得来流在经过涡流发生器4后会形成与角涡5旋转方向相同或相反的尾迹涡6，尾迹涡6与角涡5相互叠加或抵消，从而有效地增强或减弱了流向拐角边界层1的角涡5。增强的角涡将拐角处喷注(底壁2或侧壁3上开有喷注口)的燃料或助燃剂卷入主流中，与主流实现很好的混合，进而促进流动的掺混，增强了燃烧室的性能；或，减弱角涡后改善了流向拐角附近的摩擦力和热流密度分布，进而减小飞行器表面的传热和阻力分布预估的误差，使飞行器表面流动结构的控制更加精确。本结构简单实用，不会影响原来的流向拐角结构，且尾迹涡6在流场中能够持续存在，因而可以有效实现角涡5的持续增强或减弱，实现对流场中边界层角涡的持续控制。
在一个实施例中，尾迹涡6的旋转方向与角涡5的旋转方向相同，涡流发生器4为板状结构，且涡流发生器4垂直设在底壁2和/或侧壁3上；当涡流发生器4设在底壁2上时，涡流发生器4上位于来流上游方向的一端朝侧壁3的方向偏移；当涡流发生器4设在侧壁3上时，涡流发生器4上位于来流上游方向的一端朝底壁2的方向偏移。
在一个实施例中，尾迹涡6的旋转方向与角涡5的旋转方向相反，涡流发生器4为板状结构，且涡流发生器4垂直设在底壁2和/或侧壁3上；当涡流发生器4设在底壁2上时，涡流发生器4上位于来流下游方向的一端朝侧壁3的方向偏移；当涡流发生器4设在侧壁3上时，涡流发生器4上位于来流下游方向的一端朝底壁2的方向偏移。
涡流发生器4一般为细长的板状结构，布置在流向拐角的壁面上。涡流发生器4的数量为一个以上，可以布置在底壁2上，也可以布置在侧壁3上，还可以同时布置在底壁2和侧壁3上。
涡流发生器4可以选择适当的形状、尺寸、材质，本发明不做限定，只需要能够产生尾迹涡6即可。
涡流发生器4与流动呈一定的角度，如图8所示，当涡流发生器4设在底壁2上，涡流发生器4上位于来流上游方向的一端朝侧壁3的方向偏移时，来流与涡流发生器4作用，形成沿着流动方向逆时针旋转的尾迹涡6，与逆时针旋转的角涡5相叠加；当涡流发生器4设在侧壁3上时，涡流发生器4上位于来流上游方向的一端朝底壁2的方向偏移，来流与涡流发生器4作用，形成沿着流动方向顺时针旋转的尾迹涡6，与顺时针旋转的角涡5相叠加。
如图9所示，当涡流发生器4设在底壁2上，涡流发生器4上位于来流下游方向的一端朝侧壁3的方向偏移时，来流与涡流发生器4作用，形成沿着流动方向顺时针旋转的尾迹涡6，与逆时针旋转的角涡5相抵消；当涡流发生器4设在侧壁3上时，涡流发生器4上位于来流下游方向的一端朝底壁2的方向偏移，来流与涡流发生器4作用，形成沿着流动方向逆时针旋转的尾迹涡6，与顺时针旋转的角涡5相抵消。
将涡流发生器4以一定角度安装在流向拐角上，通过建立数值模型，进行模拟，优化角度参数，可以达到抵消角涡5的目的。如图10所示，是无控情况下的流向拐角边界层1的速度等值线云图，不同的线表示速度大小不同，越靠近零点，速度越小，等值线的弯曲表征了角涡5的存在，弯曲程度代表角涡5的大小，弯曲程度越大，角涡5强度也越大；在拐角平分线位置，等值线向着拐角弯曲，证明角涡5存在。如图11所示，是按照图4的方式设置了涡流发生器4后的流向拐角边界层1的速度等值线云图，等值线的弯曲程度变大，表明确实对角涡5产生了增强的效果。如图12所示，是按照图5的方式设置了涡流发生器4后的流向拐角边界层1的速度等值线云图，等值线的弯曲程度变小，表明确实对角涡5产生了减弱的效果。
优选地，当涡流发生器4设在底壁2上时，其质心的位置坐标为(x，y，z)；当涡流发生器4设在侧壁3上时，其质心的位置坐标为(x，z，y)；以流向拐角前缘为坐标原点，位置坐标满足以下关系：
y＝αδ
Figure BDA0003169557350000071
Figure BDA0003169557350000072
式中，x是涡流发生器4沿来流方向距离流向拐角前缘的坐标；y是涡流发生器4沿垂直方向的坐标；z是涡流发生器4沿水平方向的坐标；α、β是常数；δ是当地边界层1厚度的预估值；θ是流向拐角的底壁2与侧壁3的二面角；Re是来流的雷诺数。
在本实施例中，α取值为0.24，β取值为4.75。δ是当地边界层1厚度的预估值，当地边界层厚度是指x位置处的边界层厚度。(x，y，z)和(x，z，y)是角涡5的涡核位置，将涡流发生器4质心的位置坐标放在涡核位置，可以从根本上有效地增强或减弱角涡5。
确定一个x值，即先确定涡流发生器4在来流方向上的坐标，然后可以得到涡流发生器4在垂直方向和水平方向上的坐标，因此可以确定涡流发生器4的优选位置。涡流发生器4按上述方法布置，对角涡5的增强或减弱效果较好。
在一个实施例中，涡流发生器4的数量为两个以上，涡流发生器4分成两组，其中一组涡流发生器4设在底壁2上，另一组设在侧壁3上，两组涡流发生器4的数量之差为0或1。
根据不同流向位置对流动的需求，可以设置多个或多组涡流发生器4，实现同一流向拐角不同位置角涡5的增强或减弱。
如图13所示，涡流发生器4可以平行布置，也可以根据具体的需求，选择其他的布置方式，如交错布置，本发明不做限定。
优选地，最靠近上游的一个或一对涡流发生器4固定设在来流上游前20％的位置。
角涡5在流向拐角中产生并沿来流方向逐渐发展，在上游位置的强度比较小，因此将涡流发生器4固定在上游，且布置在角涡5的涡核位置，能实现对角涡5的翻倍增强或几乎完全抵消。
在本实施例中，最靠近上游的一个或一对涡流发生器4固定设在来流上游前20％的位置，也可以根据实际需求，选择其他位置。
在一个实施例中，涡流发生器4的长度为3y-5y，高度为2y，厚度为1/5y-1/3y。
涡流发生器4的尺寸按照上述设置，可以有效增强或减弱角涡5，且结构小巧，不会影响原来的流向拐角结构。
在一个实施例中，涡流发生器4为长方体结构、三棱柱结构、四棱锥结构、弧形板结构或波浪形板结构。
如图14至图16所示，涡流发生器为4长方体结构、三棱柱结构或四棱锥结构，还可以根据具体情况，选择其他形状的涡流发生器4，如弧形板结构或波浪形板结构。对于亚声速来流，长方体结构的涡流发生器4对角涡5的增强或减弱效果较好；而对于超声速来流，三棱柱结构的涡流发生器4对角涡5的增强或减弱效果较好。
在一个实施例中，当涡流发生器4为三棱柱结构或四棱锥结构时，涡流发生器4的尖端朝向来流方向。
涡流发生器4的尖端朝向来流方向，可以使反方向有足够的面积产生尾迹涡6，因而可以保证角涡5的增强或减弱效果。
在一个实施例中，涡流发生器4通过螺栓连接或粘胶连接固定连接在底壁2和/或侧壁3上。
在本实施例中，可以在涡流发生器4的底部设置螺纹孔，利用螺栓与流向拐角的底壁2或侧壁3固定，也可以直接使用粘胶进行固定。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种流向拐角结构，其特征在于，包括：流向拐角和涡流发生器；
所述流向拐角由底壁与侧壁相交组成；
所述涡流发生器设在所述底壁和/或所述侧壁的边界层中，以形成与角涡旋转方向相同或相反的尾迹涡。
2.根据权利要求1所述的流向拐角结构，其特征在于，所述尾迹涡的旋转方向与所述角涡的旋转方向相同，所述涡流发生器为板状结构，且所述涡流发生器垂直设在所述底壁和/或所述侧壁上；
当所述涡流发生器设在所述底壁上时，所述涡流发生器上位于来流上游方向的一端朝所述侧壁的方向偏移；
当所述涡流发生器设在所述侧壁上时，所述涡流发生器上位于来流上游方向的一端朝所述底壁的方向偏移。
3.根据权利要求1所述的流向拐角结构，其特征在于，所述尾迹涡的旋转方向与所述角涡的旋转方向相反，所述涡流发生器为板状结构，且所述涡流发生器垂直设在所述底壁和/或所述侧壁上；
当所述涡流发生器设在所述底壁上时，所述涡流发生器上位于来流下游方向的一端朝所述侧壁的方向偏移；
当所述涡流发生器设在所述侧壁上时，所述涡流发生器上位于来流下游方向的一端朝所述底壁的方向偏移。
4.根据权利要求2或3所述的流向拐角结构，其特征在于，当所述涡流发生器设在所述底壁上时，其质心的位置坐标为(x，y，z)；当所述涡流发生器设在所述侧壁上时，其质心的位置坐标为(x，z，y)；以流向拐角前缘为坐标原点，所述位置坐标满足以下关系：
y＝αδ
Figure FDA0003169557340000011
Figure FDA0003169557340000012
式中，x是涡流发生器沿来流方向距离流向拐角前缘的坐标；y是涡流发生器沿垂直方向的坐标；z是涡流发生器沿水平方向的坐标；α、β是常数；δ是当地边界层厚度的预估值；θ是流向拐角的底壁与侧壁的二面角；Re是来流的雷诺数。
5.根据权利要求4所述的流向拐角结构，其特征在于，所述涡流发生器的数量为两个以上，所述涡流发生器分成两组，其中一组涡流发生器设在所述底壁上，另一组设在所述侧壁上，两组涡流发生器的数量之差为0或1。
6.根据权利要求5所述的流向拐角结构，其特征在于，最靠近上游的一个或一对涡流发生器固定设在来流上游前20％的位置。
7.根据权利要求5或6任一项所述的流向拐角结构，其特征在于，所述涡流发生器的长度为3y-5y，高度为2y，厚度为1/5y-1/3y。
8.根据权利要求7所述的流向拐角结构，其特征在于，所述涡流发生器为长方体结构、三棱柱结构、四棱锥结构、弧形板结构或波浪形板结构。
9.根据权利要求8所述的流向拐角结构，其特征在于，当所述涡流发生器为三棱柱结构或四棱锥结构时，所述涡流发生器的尖端朝向来流方向。
10.根据权利要求8或9所述的流向拐角结构，其特征在于，所述涡流发生器通过螺栓连接或粘胶连接固定连接在所述底壁和/或所述侧壁上。
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