CN113704895B - 一种抑制Görtler涡二次失稳的装置及方法及存储介质 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及流体力学领域，公开了一种抑制Görtler涡二次失稳的装置及方法及存储介质。本装置包括：用于形成Görtler涡的曲面实验模型，所述曲面实验模型包括平面部分和曲面部分，所述曲面部分出现Görtler涡二次失稳对应的位置处设置有用于抑制Görtler涡二次失稳模态增长的沟槽，且所述沟槽顺着流体的流向布置，直至曲面实验模型的末端。本发明通过在曲面实验模型后半部分布置流向沟槽，可以实现抑制高超声速曲面边界层Görtler涡二次失稳模态增长，进而达到推迟高超声速曲面边界层转捩的目的。

Description

一种抑制Görtler涡二次失稳的装置及方法及存储介质
技术领域
本发明涉及流体力学领域，尤其涉及一种抑制Görtler涡二次失稳的装置及方法及存储介质。
背景技术
当流体流过凹面时，由于离心力与法向压力梯度之间的不平衡，容易出现离心力不稳定性，形成对卷的流向涡。当出现 Görtler 不稳定性时，由于形成对卷的流向涡，边界层内存在上喷（upwash）和下扫（downwash）的区域。在上喷区域，贴近壁面的低动量流体背向壁面运动，被抛向边界层的外缘，边界层变厚，形成低速条带区；在下扫区域，边界层边缘的高动量流体流向壁面，边界层变薄，形成高速条带。当Görtler涡幅值超过一定阈值时，低速条带区容易出现二次失稳，导致条带发生摆动以及破碎形成湍流。
针对高超声速边界层中Görtler涡的研究主要通过理论和计算进行，相关的实验研究很少。在现有技术中还没有发现针对控制高超声速边界层中Görtler涡的二次失稳过程的研究。对于平板和圆锥，一般使用壁面加热、冷却或者多孔壁面控制高超声速边界层转捩过程，但是加热和冷却这些手段需要额外地增加设备，消耗能源，增加控制成本，并且这两种手段对转捩控制的效果不是十分理想，很难具有普适性。而多孔壁面主要通过抑制第二模态声扰动的方式实现对高超声速边界层转捩的控制，其对高超声速曲面边界层中Görtler涡以及Görtler涡二次失稳过程是否具有抑制作用还没有相关的研究。由于Görtler涡属于涡扰动，并且Görtler涡的二次失稳模态的扰动主要集中在靠近边界层外缘的部分，而多空壁面对声扰动以及靠近壁面附近的扰动的控制效果比较好，所以多空壁面很难实现对高超声速曲面边界层Görtler涡以及二次失稳过程的控制。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：针对高超声速曲面边界层形成对卷Görtler涡引起转捩的问题，提出了一种使用流向沟槽抑制的Görtler涡二次失稳方法，从而达到推迟转捩的目的。
本发明采用的技术方案如下：
第一方面，本发明提供一种抑制Görtler涡二次失稳的装置，包括：用于形成Görtler涡的曲面实验模型，所述曲面实验模型包括平面部分和曲面部分，所述曲面部分出现Görtler涡二次失稳对应的位置处设置有用于抑制Görtler涡二次失稳模态增长的沟槽，且所述沟槽顺着流体的流向布置，直至曲面实验模型的末端。
在曲面实验模型上设置的沟槽可以抑制高超声速曲面边界层Görtler涡二次失稳模态增长，进而达到推迟高超声速曲面边界层转捩的目的。
进一步地，所述沟槽的展向波长为2-5mm，所述沟槽的深度为1-3mm；其中，所述沟槽的展向波长优选为3mm；所述沟槽的深度优选为2mm。
进一步地，所述曲面实验模型选用不锈钢或者塑料制成。
进一步地，所述沟槽采用铣刀或者车床或者3D打印的方式设置在所述曲面模型上。
第二方面，本发明提供一种抑制Görtler涡二次失稳的方法，包括：
将曲面实验模型放置在流体中，流体经过曲面实验模型后，在曲面实验模型上形成Görtler涡；
当曲面实验模型上的Görtler涡出现二次失稳时，在Görtler涡出现二次失稳对应的曲面实验模型上的位置设置向后延伸的沟槽，并将沟槽顺着流体的流向设置。
进一步地，设置的所述沟槽的展向波长为2-5mm，所述沟槽的深度为1-3mm。
进一步地，所述曲面实验模型选用不锈钢或者塑料制成。
第三方面，本发明提供一种存储介质，所述存储介质上存储有计算机指令，所述计算机指令在计算机上运行时，使得所述计算机执行上述第一方面所述的方法。
与现有技术相比，采用上述技术方案的有益效果为：
本发明案最大的优点是通过流向布置沟槽的被动控制方式，实现抑制高超声速边界层中Görtler涡二次失稳过程，达到控制转捩的目的。且本发明至少可以在如下两方面中得到应用：
1. 喷管设计中，通过流向布置沟槽尽可能维持喷管壁面处于层流状态，降低风洞来流噪声；
2. 高超声速飞行器外形设计中，对于凹面合理布置沟槽尽可能使得边界层处于层流状态，减小气动阻力和气动热。
附图说明
图1是本发明一实施例提供的一种抑制Görtler涡二次失稳的装置的整体结构示意图。
图2是本发明一实施例提供的一种抑制Görtler涡二次失稳的装置的正视图。
图3是本发明一实施例提供的一种抑制Görtler涡二次失稳的装置的右视图。
图4是本发明一实施例提供的沟槽的设计示意图。
图5是光滑表面和沟槽表面阻力系数沿流向的变化示意图。
图6是光滑表面252mm流向位置处二次失稳模态扰动增长率随频率的变化示意图。
图7是光滑表面252mm流向位置处二次失稳模态扰动相速度随频率的变化示意图。
图8是光滑表面289mm流向位置处二次失稳模态扰动增长率随频率的变化示意图。
图9是光滑表面289mm流向位置处二次失稳模态扰动相速度随频率的变化示意图。
图10是沟槽表面252mm流向位置处二次失稳模态扰动增长率随频率的变化示意图。
图11是沟槽表面252mm流向位置处二次失稳模态扰动相速度随频率的变化示意图。
图12是沟槽表面289mm流向位置处二次失稳模态扰动增长率随频率的变化示意图。
图13是沟槽表面289mm流向位置处二次失稳模态扰动相速度随频率的变化示意图。
图14为在相同252mm流向位置处，光滑表面与沟槽表面最不稳定扰动增长之间的比较示意图。
图15为在相同289m流向位置处，光滑表面与沟槽表面最不稳定扰动增长之间的比较示意图。
附图标记：1-平面部分，2-曲面部分，3-沟槽。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
实施例1
如图1至图3所示，本实施例提供一种抑制Görtler涡二次失稳的装置，该装置包括：用于形成Görtler涡的曲面实验模型，其中，曲面实验模型分为平面部分1和曲面部分2。
曲面实验模型设置在流场中，流场中的流体沿平面部分1流向曲面部分2，当流体从平面部分1流向曲面部分2时，流体会在曲面实验模型上形成Görtler涡，当Görtler涡增长超过一定阈值后开始出现二次失稳，二次失稳模态不断增长、被放大导致低速条带发生摆动直到条带破碎和湍流生成，为了抑制Görtler涡二次失稳模态增长，在本实施例中，在曲面部分2上设置有沟槽3，且沟槽3顺着流体的流向布置，沟槽3设置转捩的后半部分，即布置在出现Görtler涡二次失稳对应的位置。
在本实施例中，沟槽3从距离曲面实验模型前缘的180mm位置处开始设置。
在本实施例中，如图4所示，沟槽3展向分布满足正弦函数，且沟槽3的展向波长λ设置为3mm，沟槽3深度h设置为2mm。
在本实施例中，曲面实验模型选用不锈钢或者塑料制成。
在本实施例中，沟槽3采用铣刀、车床或者3D打印的方式设置在所述曲面模型上。
本技术方案针对高超声速曲面边界层Görtler涡的流动特点，提出了在曲面实验模型后半部分布置流向沟槽3的技术方案，实现抑制高超声速曲面边界层Görtler涡二次失稳模态增长，进而达到推迟高超声速曲面边界层转捩的目的。
如图5所示光滑表面和沟槽3表面阻力系数沿流向的变化示意图，仔细观察图5可以发现，沟槽3表面摩擦系数开始偏离层流状态对应值的位置向下游大幅度移动，并且沟槽3表面转捩后对应的摩擦系数远小于光滑表面转捩后的对应值。所以沟槽3可以推迟高超声速曲面边界层的转捩过程。
如图6至图9所示，图6是光滑模型表面在x=252 mm位置二次失稳模态扰动增长率随频率的变化；图7光滑模型表面在x=252 mm位置二次失稳模态扰动相速度随频率的变化。图8是光滑模型表面在x=289 mm位置二次失稳模态扰动增长率随频率的变化；图9光滑模型表面在x=289 mm位置二次失稳模态扰动相速度随频率的变化。
如图10至图13所示，图10是沟槽模型表面在x=252 mm位置二次失稳模态扰动增长率随频率的变化；图11表示沟槽模型表面在x=252 mm位置二次失稳模态的相速度随频率的变化。图12是沟槽模型表面在x=289 mm位置二次失稳模态扰动增长率随频率的变化；图13表示沟槽模型表面在x=289 mm位置二次失稳模态的相速度随频率的变化。
如图14和图15所示，两幅图给出了相同流向位置处光滑表面和沟槽3表面最不稳定扰动增长之间的比较。仔细观察图14可以发现，在x = 252 mm位置处，沟槽3表面最不稳定扰动的最大增长率减小，不稳定模态覆盖的频率也相应减小。观察图15可以发现，在x =289 mm位置处，沟槽3表面最不稳定扰动的最大增长率被减小的更加明显，同时最不稳定模态覆盖的频率范围同样减小。所以，通过图14、图15可以发现，沟槽3可以明显的抑制Görtler涡二次失稳模态的增长，进而达到推迟高超声速曲面边界层转捩的目的。
实施例2
本实施与实施例1基本一致，其区别在于本实施例中沟槽3的参数设计不同，具体如下：
本实施例提供一种抑制Görtler涡二次失稳的装置，该装置包括：用于形成Görtler涡的曲面实验模型，其中，曲面实验模型分为平面部分1和曲面部分2。
曲面实验模型设置在流场中，流场中的流体沿平面部分1流向曲面部分2，当流体从平面部分1流向曲面部分2时，流体会在曲面实验模型上形成Görtler涡，当Görtler涡增长超过一定阈值后开始出现二次失稳，二次失稳模态不断增长、被放大导致低速条带发生摆动直到条带破碎和湍流生成，为了抑制Görtler涡二次失稳模态增长，在本实施例中，在曲面部分2上设置有沟槽3，且沟槽3顺着流体的流向布置，沟槽3设置转捩的后半部分，即布置在出现Görtler涡二次失稳对应的位置。
在本实施例中，沟槽3从距离曲面实验模型前缘的180mm位置处开始设置。
在本实施例中，如图4所示，沟槽3展向分布满足正弦函数，且沟槽3的展向波长λ设置为2mm，沟槽3深度h设置为1mm。
在本实施例中，曲面实验模型选用不锈钢或者塑料制成。
在本实施例中，沟槽3采用铣刀、车床或者3D打印的方式设置在所述曲面模型上。
实施例3
本实施与实施例1基本一致，其区别在于本实施例中沟槽3的参数设计不同，具体如下：
本实施例提供一种抑制Görtler涡二次失稳的装置，该装置包括：用于形成Görtler涡的曲面实验模型，其中，曲面实验模型分为平面部分1和曲面部分2。
曲面实验模型设置在流场中，流场中的流体沿平面部分1流向曲面部分2，当流体从平面部分1流向曲面部分2时，流体会在曲面实验模型上形成Görtler涡，当Görtler涡增长超过一定阈值后开始出现二次失稳，二次失稳模态不断增长、被放大导致低速条带发生摆动直到条带破碎和湍流生成，为了抑制Görtler涡二次失稳模态增长，在本实施例中，在曲面部分2上设置有沟槽3，且沟槽3顺着流体的流向布置，沟槽3设置转捩的后半部分，即布置在出现Görtler涡二次失稳对应的位置。
在本实施例中，沟槽3从距离曲面实验模型前缘的180mm位置处开始设置。
在本实施例中，如图4所示，沟槽3展向分布满足正弦函数，且沟槽3的展向波长λ设置为5mm，沟槽3深度h设置为3mm。
在本实施例中，曲面实验模型选用不锈钢或者塑料制成。
在本实施例中，沟槽3采用铣刀、车床或者3D打印的方式设置在所述曲面模型上。
实施例4
本实施例提供一种抑制Görtler涡二次失稳的方法，本方法包括以下内容：
将曲面实验模型放置在流体中，流体经过曲面实验模型后，在曲面实验模型上形成Görtler涡；
当曲面实验模型上的Görtler涡出现二次失稳时，在Görtler涡出现二次失稳对应的曲面实验模型上的位置设置向后延伸的沟槽3，并将沟槽3顺着流体的流向设置。
在本实施例中，设置的沟槽3展向分布满足正弦函数，沟槽3的展向波长λ设置为3mm，沟槽3深度h设置为2mm。
在本实施例中，曲面实验模型选用不锈钢或者塑料制成。
在本实施例中，沟槽3采用铣刀、车床或者3D打印的方式设置在所述曲面实验模型上。
本实施例还提供一种存储介质，所述存储介质上存储有计算机指令，所述计算机指令在计算机上运行时，使得所述计算机执行本实例提供的一种抑制Görtler涡二次失稳的方法。
实施例5
本实施与实施例4基本一致，其区别在于本实施例中沟槽3的参数设计不同，具体如下：
本实施例提供一种抑制Görtler涡二次失稳的方法，本方法包括以下内容：
将曲面实验模型放置在流体中，流体经过曲面实验模型后，在曲面实验模型上形成Görtler涡；
当曲面实验模型上的Görtler涡出现二次失稳时，在Görtler涡出现二次失稳对应的曲面实验模型上的位置设置向后延伸的沟槽3，并将沟槽3顺着流体的流向设置。
在本实施例中，设置的沟槽3展向分布满足正弦函数，沟槽3的展向波长λ设置为2mm，沟槽3深度h设置为1mm。
在本实施例中，曲面实验模型选用不锈钢或者塑料制成。
在本实施例中，沟槽3采用铣刀、车床或者3D打印的方式设置在所述曲面实验模型上。
本实施例还提供一种存储介质，所述存储介质上存储有计算机指令，所述计算机指令在计算机上运行时，使得所述计算机执行本实例提供的一种抑制Görtler涡二次失稳的方法。
实施例6
本实施例提供一种抑制Görtler涡二次失稳的方法，本方法包括以下内容：
将曲面实验模型放置在流体中，流体经过曲面实验模型后，在曲面实验模型上形成Görtler涡；
当曲面实验模型上的Görtler涡出现二次失稳时，在Görtler涡出现二次失稳对应的曲面实验模型上的位置设置向后延伸的沟槽3，并将沟槽3顺着流体的流向设置。
在本实施例中，设置的沟槽3展向分布满足正弦函数，沟槽3的展向波长λ设置为5mm，沟槽3深度h设置为3mm。
在本实施例中，曲面实验模型选用不锈钢或者塑料制成。
在本实施例中，沟槽3采用铣刀、车床或者3D打印的方式设置在所述曲面实验模型上。
本实施例还提供一种存储介质，所述存储介质上存储有计算机指令，所述计算机指令在计算机上运行时，使得所述计算机执行本实例提供的一种抑制Görtler涡二次失稳的方法。
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。如果本领域技术人员，在不脱离本发明的精神所做的非实质性改变或改进，都应该属于本发明权利要求保护的范围。

Claims (8)

1.一种抑制
Figure FDA0003743913170000011
涡二次失稳的装置，其特征在于，包括：用于形成
Figure FDA0003743913170000012
涡的曲面实验模型，所述曲面实验模型包括平面部分和曲面部分，所述曲面部分出现
Figure FDA0003743913170000013
涡二次失稳对应的位置处设置有用于抑制
Figure FDA0003743913170000014
涡二次失稳模态增长的沟槽，且所述沟槽顺着流体的流向布置，直至曲面实验模型的末端，沟槽展向分布满足正弦函数；所述沟槽的展向波长为2-5mm，所述沟槽的深度为1-3mm。
2.根据权利要求1所述的一种抑制
Figure FDA0003743913170000015
涡二次失稳的装置，其特征在于，所述沟槽的展向波长为3mm。
3.根据权利要求1所述的一种抑制
Figure FDA0003743913170000016
涡二次失稳的装置，其特征在于，所述沟槽的深度为2mm。
4.根据权利要求1所述的一种抑制
Figure FDA0003743913170000017
涡二次失稳的装置，其特征在于，所述曲面实验模型选用不锈钢或者塑料制成。
5.根据权利要求1所述的一种抑制
Figure FDA0003743913170000018
涡二次失稳的装置，其特征在于，所述沟槽采用铣刀或者车床或者3D打印的方式设置在所述曲面模型上。
6.一种抑制
Figure FDA0003743913170000019
涡二次失稳的方法，其特征在于，包括：
将曲面实验模型放置在流体中，流体经过曲面实验模型后，在曲面实验模型上形成
Figure FDA00037439131700000110
涡；
当曲面实验模型上的
Figure FDA00037439131700000111
涡出现二次失稳时，在
Figure FDA00037439131700000112
涡出现二次失稳对应的曲面实验模型上的位置设置向后延伸的沟槽，并将沟槽顺着流体的流向设置，沟槽展向分布满足正弦函数；设置的所述沟槽的展向波长为2-5mm，所述沟槽的深度为1-3mm。
7.根据权利要求6所述的一种抑制
Figure FDA00037439131700000113
涡二次失稳的方法，其特征在于，所述曲面实验模型选用不锈钢或者塑料制成。
8.一种存储介质，其特征在于，所述存储介质上存储有计算机指令，所述计算机指令在计算机上运行时，使得所述计算机执行如权利要求6-7任一所述的方法。
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