CN114060357B - 一种基于超声波的高超声速边界层转捩控制装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于超声波的高超声速边界层转捩控制装置及方法，在风洞试验段的实验模型壁面设置压力传感器和超声波激励器，压力传感器采集实验模型壁面的脉动压力并传输至信号处理器进行处理，以获取第二模态波的频率分布；超声波激励器发射超声波并通过与超声波激励器电性相连的信号发生器对该超声波进行调节，通过超声波对获取的高超声速边界层转捩中占主导的第二模态波进行控制，进而实现对高超声速边界层转捩的控制。本发明区别于常规的基于粗糙元的被动控制方法，通过调节超声波激励器参数实现对高超声速飞行器边界层转捩主动控制的目的。
Description
技术领域
本发明涉及高超声速流动控制技术领域，具体为一种基于超声波的高超声速边界层转捩控制方法。
背景技术
高超声速边界层转捩会引起很强的粘性阻力、热流，对高超声速飞行器的气动力和气动热等产生重要的影响，因此，高超声速边界层转捩控制成为高超声速飞行器领域研究的前沿和热点问题之一。
在高超声速边界层转捩中，属于声波的第二模态波占据主导地位。目前对于高超声速边界层转捩控制的方法主要有两种，一种是在壁面布置粗糙元等的被动控制方式，该方法相对简单，通过粗糙元引入扰动来促进或抑制边界层内扰动的发展，达到控制边界层转捩的目的，但一旦粗糙元形状大小确定，通常只能在特定飞行条件下才能达到最优控制效果，在其他飞行环境下可能不起作用甚至起副作用。同时，粗糙元的布置还会额外增加飞行器的起飞重量，降低飞行器的有效载荷。另一种是通过壁面吹气方式，对边界层流动注入能量，实现对高超声速边界层转捩的控制。该方法可以根据需要对吹吸量等参数进行调节，达到最优的边界层转捩控制效果。但这种方法需要注入额外的能量，通常情况下费效比高，很难得到净收益，而且控制装置的体积较大，结构复杂，可靠性差，因此，在真实的飞行试验中，目前很少采用这种基于能量注入的边界层转捩主动控制方法。
发明内容
为了解决上述问题，本发明公开了一种基于超声波的高超声速边界层转捩控制方法，通过在壁面布置微型超声波激励器以发射与第二模态波频率相匹配的超声波，实现对高超声速边界层转捩的控制。
一种基于超声波的高超声速边界层转捩控制装置，包括第二模态波检测装置和超声波发射装置；第二模态波检测装置包括高频压力传感器和信号处理器，高频压力传感器置于实验模型内，用于实验模型壁面的脉动压力，信号处理器与该高频压力传感器电性连接，用于采集、处理该高频压力传感器获得的信号并获取第二模态波频率；超声波发射装置包括超声波激励器和信号发生器，该超声波激励器置于实验模型内，在实验模型边界层内发射超声波，信号发生器与该超声波激励器电性连接，根据获取的第二模态波频率调节该超声波的频率及强度，进而激励超声波激励器。
作为优选，超声波发射装置还包括功率放大器，该功率放大器的输入端及输出端分别连接信号发生器的输出端和超声波激励器的输入端，用于对信号发生器输出的功率进行放大，进而激励所述超声波激励器的发射功率。
作为优选，风洞内设有实验模型，超声波激励器与高频压力传感器均设于该实验模型内，且表面与该实验模型的内壁面平齐。
作为优选，高频压力传感器通过压力传感器信号线与信号处理器相连，该压力传感器信号线通过实验模型预设的支架机构引出风洞试验段。
作为优选，超声波激励器通过激励器信号线与功率放大器相连，该激励器信号线通过实验模型预设的支架机构引出风洞试验段。
本发明还公开一种基于超声波的高超声速边界层转捩控制装置的控制方法，具体为：实验模型的壁面在高超声速来流的条件下出现第二模态波流动结构，实验模型内的高频压力传感器实时获取该信号并经由信号处理器实时显示、获取第二模态波的频率；第二模态波的物理特性属于超声波，频率通常在几百千赫兹。
作为优选，信号发射器调节超声波激励器发射的超声波频率，使该超声波频率与第二模态波的频率相匹配，超声波将与边界层内的扰动相互作用进而促进第二模态波的发展，而第二模态波在高超声速边界层转捩中占据主导地位，因此，该方法通过促进第二模态幅值的增长，进而促进高速边界层转捩的提前发生，实现对高超声速边界层转捩的控制。
有益效果：
（1）本发明利用高超声速边界层转捩中占主导地位的第二模态波是声波这一特性，通过发射超声波促进高超声速边界层转捩中占主导地位的第二模态波的增长，进而实现高速边界层转捩的提前发生，突破了传统的基于粗糙元等的被动控制方法；
（2）本发明采用的超声波激励器体积小，质量轻，价格便宜，安全可靠，控制实施和操作简单，实用性强；
（3）针对不同来流条件下第二模态波的频率、强度不同，本发明通过调节超声波激励器的激励频率、强度等，将超声波频率与第二模态波频率相匹配，实现在不同来流条件下对第二模态波的控制，进而对高超声速边界层转捩进行控制，解决了以往采用单一控制方式只能对边界层转捩获得单一的控制目的的问题；
（4）本发明采用的超声波激励器与实验模型壁面齐平安装，在不改变模型外形和周围流场的情况下即可实现对高超声速边界层第二模态波的控制，为开展高超声速边界层转捩机理及转捩控制研究提供技术支撑。
附图说明
图1为本发明中的高超声速边界层转捩控制装置示意图。
附图标记：1-超声波激励器，2-超声波，3-信号发生器，4-功率放大器，5-高频压力传感器，6-支架机构，7-信号处理器，8-实验模型，9-压力传感器信号线，10-激励器信号线。
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做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。
本发明主要针对高超声速边界层转捩进行控制，在壁面布置微型超声波激励器，通过超声波激励器发射超声波用于对高超声速边界层转捩中占主导的第二模态波进行控制，进而实现对高超声速边界层转捩的控制。区别于以往单一控制方式只能对边界层转捩获得单一的控制目的，本发明通过调节激励器参数对不同来流条件下高超声速飞行器边界层流动实现转捩控制的目的。同时，采用的超声波激励器体积小，重量轻，价格便宜，但可靠性强，操作控制简单，不会较大增加飞行器的起飞重量。由于激励器布置在壁面，不改变飞行器的外形，对飞行器周围流场也没有任何的干扰。
如图1所示，一种基于超声波的高超声速边界层转捩控制装置，包括第二模态波检测装置和超声波发射装置。
第二模态波检测装置包括高频压力传感器5、信号处理器7、压力传感器信号线9。风洞试验段内设有实验模型8，高频压力传感器5置于实验模型8内，且表面与实验模型8的内壁面平齐，用于测量实验模型8壁面的脉动压力。信号处理器7通过压力传感器信号线9与高频压力传感器5电性连接，压力传感器信号线9将压力传感器5的测量信号引出，传输至信号处理器7进行采集和处理，进而获取第二模态波的频率分布。实验模型8预设有支架机构6，压力传感器信号线9通过该支架机构6固定并延伸出风洞试验段，与风洞试验段外侧的信号处理器连接，对流场没有任何干扰。
超声波发射装置包括超声波激励器1、信号发生器3、功率放大器4和超声波激励器信号线10。超声波激励器1置于实验模型8内部，且表面与该实验模型8的内壁面平齐，用于在实验模型8的边界层内发射超声波2，与边界层相关作用进而影响边界层内第二模态波的发展。超声波激励器1通过激励器信号线10依次连接功率放大器4和信号发生器3，信号发生器3用于对超声波激励器1发射的超声波2的频率、强度等进行调节，功率放大器4用于对信号发生器3输出的功率进行放大，进而激励超声波激励器1。激励器信号线10通过实验模型8预设的支架机构6从风洞试验段内引出，与风洞试验段外的功率放大器4连接，对流场没有任何干扰。功率放大器4属于备选项，当信号发生器3输出功率促进超声波激励器1发射超声波2的强度足以控制边界层转捩时，不需要功率放大器4进行功率放大。
本发明还公开了一种基于超声波的高超声速边界层转捩装置的控制方法，实验前，对装置进行上文所述的布置；实验时，实验模型8的壁面在高超声速来流的条件下出现第二模态波流动结构，信号处理器7实时显示高频压力传感器5获取的信号，并获取第二模态波的频率。超声波激励器1发射超声波2，信号发生器3根据获取的第二模态波频率调节超声波激励器1发射的超声波2的频率，使发出的超声波频率与实时获取的第二模态波的频率相匹配，超声波将与边界层内的扰动相互作用进而促进第二模态波的发展，而第二模态波在高超声速边界层转捩中占据主导地位，因此，该方法通过促进第二模态幅值的增长，进而促进高速边界层转捩的提前发生，实现对高超声速边界层转捩的控制。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于超声波的高超声速边界层转捩控制装置，其特征在于：包括第二模态波检测装置和超声波发射装置，
所述第二模态波检测装置包括高频压力传感器(5)和信号处理器(7)，所述高频压力传感器(5)置于实验模型(8)内，用于测量实验模型(8)壁面的脉动压力，所述信号处理器(7)与该高频压力传感器(5)电性连接，用于采集、处理该高频压力传感器(5)获得的信号并获取第二模态波频率；
所述超声波发射装置包括超声波激励器(1)和信号发生器(3)，该超声波激励器(1)置于实验模型(8)内，在实验模型(8)边界层内发射超声波，信号发生器(3)与该超声波激励器(1)电性连接，根据获取的第二模态波频率调节该超声波的频率及强度，进而激励超声波激励器(1)。
2.根据权利要求1所述的基于超声波的高超声速边界层转捩控制装置，其特征在于：所述超声波发射装置还包括功率放大器(4)，该功率放大器(4)的输入端及输出端分别连接所述信号发生器(3)的输出端和超声波激励器(1)的输入端，用于对信号发生器(3)输出的功率进行放大，进而激励所述超声波激励器(1)的发射功率。
3.根据权利要求2所述的基于超声波的高超声速边界层转捩控制装置，其特征在于：所述实验模型(8)设于风洞内，所述超声波激励器(1)与高频压力传感器(5)均设于该实验模型(8)内，且表面与该实验模型(8)的内壁面平齐。
4.根据权利要求3所述的基于超声波的高超声速边界层转捩控制装置，其特征在于：所述高频压力传感器(5)通过压力传感器信号线(9)与所述信号处理器(7)相连，该压力传感器信号线(9)通过实验模型(8)预设的支架机构(6)引出风洞试验段。
5.根据权利要求4所述的基于超声波的高超声速边界层转捩控制装置，其特征在于：所述超声波激励器(1)通过激励器信号线(10)与功率放大器(4)相连，该激励器信号线(10)通过实验模型(8)预设的支架机构(6)引出风洞试验段。
6.一种基于超声波的高超声速边界层转捩控制装置的控制方法，其特征在于：基于权利要求3或5所述的基于超声波的高超声速边界层转捩控制装置，实验模型(8)的壁面在高超声速来流的条件下出现第二模态波流动结构，实验模型(8)内的高频压力传感器(5)实时获取该信号并经由所述信号处理器(7)实时显示、获取第二模态波的频率。
7.根据权利要求6所述的基于超声波的高超声速边界层转捩控制装置的控制方法，其特征在于：信号发生器(3)调节超声波激励器(1)发射的超声波(2)频率，使该超声波(2)频率与第二模态波的频率相匹配，超声波与边界层内的扰动相互作用，从而促进第二模态波幅值的增长，而第二模态波在高超声速边界层转捩中占据主导地位，因此，该方法通过促进第二模态波的发展，进而促进高速边界层转捩的提前发生，实现对高超声速边界层转捩的控制。
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