CN114458448B - 一种抑制激波附面层干扰的自适应抽吸孔板 - Google Patents
一种抑制激波附面层干扰的自适应抽吸孔板 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种抑制激波附面层干扰的自适应抽吸孔板，包括抽吸孔板和设置在吸孔板下方的孔板抽吸腔，孔板抽吸腔内沿流向安装的多段堵孔栅，多段堵孔栅与启闭装置相连，启闭装置驱动堵孔栅堵塞或打开抽吸孔板对应位置处的抽吸孔，利用激波形成的流向某个位置的压力显著提高作为激励信号，驱动被动式堵孔栅启闭装置打开，在该位置进行附面层抽吸，而其他未出现压力大幅波动的位置堵孔栅保持关闭，保证壁面光顺的固壁造型；利用节流锥对孔板抽吸腔及排气路施加合适的背压条件，控制孔板内的抽吸流速既满足抑制分离的要求又避免出现抽吸流量过大的情况，有效地抑制和削弱激波附面层干扰造成的分离流等的影响，保障内流品质。
Description
技术领域
本发明涉及空气动力技术领域，具体为一种抑制激波附面层干扰的自适应抽吸孔板。
背景技术
在超音速、高超音速吸气式动力飞行器的进气道中，压缩气流的激波系中常常会出现严重的激波与附面层干扰的现象，造成内流品质差、流动畸变高等不利影响。为了提高进气道的压缩效率，需要采用一定形式的流场控制措施来抑制甚至消除激波与附面层之间相互干扰出现分离流等对内流品质不利的流场结构，附面层抽吸技术是一种流场控制效果好、结构较为简单易行的常用手段。
然而，传统的附面层抽吸槽等只能用于激波与附面层干扰位置固定的情况，而附面层抽吸孔板适用于激波与附面层干扰位置在一定范围内变化的情况，故抽吸孔板更多得到工程应用。附面层抽吸孔板目前最为先进的是开孔采用倾斜向前的自适应方案，超音流状态可由普朗特-迈耶膨胀波结构限制抽吸，亚音流状态尤其是激波与附面层干扰引发分离状态该结构可以有显著的抽吸效果。但是即使前倾的自适应抽吸孔板，仍然面临一些问题：为了应对多种工况激波入射位置的变化，需要设置一个宽度较大(面积也较大)的抽吸带开孔，这就造成了在不需要抽吸的地方，壁面开孔增大了局部流动损失的情况，而为了控制这种损失，一般需要限制孔板的开孔率(开孔面积与孔板总面积之比)，但是开孔率偏小又会严重影响抑制干扰的能力，因此急需一种抑制激波附面层干扰的自适应抽吸孔板来解决上述问题。
发明内容
本发明提供一种能有效地抑制和削弱激波附面层干扰造成的分离流等的影响的抑制激波附面层干扰的自适应抽吸孔板，来解决上述现有技术中存在的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种抑制激波附面层干扰的自适应抽吸孔板，包括抽吸孔板和设置在抽吸孔板下方的孔板抽吸腔，所述孔板抽吸腔内沿流向安装的多段堵孔栅，多段堵孔栅与启闭装置相连，所述启闭装置驱动堵孔栅堵塞或打开抽吸孔板对应位置处的抽吸孔。
优选的，所述抽吸孔板的开孔率为15％-50％，其中，抽吸孔的开孔形状为圆孔或带有圆角的矩形孔。
优选的，所述孔板抽吸腔的高度为抽吸孔板抽吸孔当量直径的3-10倍。
优选的，所述孔板抽吸腔通过抽气路通向节流装置，由所述节流装置调节排气面积来维持孔板抽吸腔静压，保持抽吸孔内气流的流量系数为2％-6％；
其中，抽吸孔内气流的流量系数计算方式为：
Pt,0和Tt,0分别为来流总压与总温，Atotal为抽吸孔开孔总面积，
为实际通过抽吸孔的流量。
优选的，堵孔栅长度l满足公式为：
其中，δ为附面层物理厚度，Ue为主流区气流速度，Vx为气流沿y向的速度分布。
优选的，多段堵孔栅主要由网格条栅架和在网格条栅架节点上安装的堵孔短圆柱组成，其中，所述堵孔短圆柱的形状和尺寸要与抽吸孔一致。
优选的，每段所述堵孔栅对应多排抽吸孔，其中，排数等于该段堵孔栅的长度除以每排抽吸孔孔心之间的距离。
优选的，所述启闭装置为被动式堵孔栅启闭装置，以激波形成流向某个位置的压力作为激励信号，驱动堵孔栅堵塞或打开抽吸孔板该位置处的抽吸孔。
优选的，所述启闭装置包括安装有弹簧装置的驱动器以及布设在堵孔栅前后缘的静压引气管，所述静压引气管用于监控该段堵孔栅所对应壁面的压力动态变化，当压力差大于弹簧装置的开闭临界弹力时，驱动该位置的堵孔栅将对应的抽吸孔打开，反之，驱动该位置的堵孔栅堵塞对应抽吸孔。
优选的，所述弹簧装置的开闭临界弹力＝堵孔栅承受压差力+S×k×来流总压，其中，S为堵孔栅与气流接触表面的总面积，k可取0.2-0.3。
与现有技术相比，本发明的有益效果：本发明中根据目前研究已得到验证的激波诱发附面层分离的流场结构，通过设置多段堵孔栅，以及多段堵孔栅与启闭装置，利用激波形成的流向某个位置的压力显著提高作为激励信号，驱动被动式堵孔栅启闭装置打开，在该位置进行附面层抽吸，而其他未出现压力大幅波动的位置堵孔栅保持关闭，保证壁面光顺的固壁造型；利用节流锥对孔板抽吸腔及排气路施加合适的背压条件，控制孔板内的抽吸流速既满足抑制分离的要求又避免出现抽吸流量过大的情况，从而弥补传统的抽吸槽和抽吸孔板设计上存在的缺陷，有效地抑制和削弱激波附面层干扰造成的分离流等的影响，并在一定程度上减小局部的流动损失，保障内流品质。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。
在附图中：
图1是本发明抑制激波附面层干扰的自适应抽吸孔板示意图；
图2是本发明激波附面层干扰和抽吸孔板示意图；
图3是本发明圆形开孔孔板二维结构示意图；
图4是本发明带有圆角的矩形开孔孔板二维结构示意图；
图5是本发明自适应抽吸孔板与激波附面层干扰区压力分布示意图；
图6是本发明自适应抽吸孔板结构堵孔栅驱动系统示意图；
图7是本发明多段堵孔栅三维结构示意图；
图中标号：1、堵孔栅；2、抽吸孔；3、驱动器；4、节流装置；5、孔板抽吸腔；6、抽吸腔通道出口；7、静压引气管；8、网格条栅架；9、堵孔短圆柱。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1-图2所示，在超音速、高超音速吸气式动力飞行器的进气道中，气流受到壁面突跃式的压缩时，形成集中的强扰动，从而产生压缩的激波面S1，称为入射激波；流体流动过程中在近壁面附近区域会产生低速流动区域，称为附面层BL，入射激波S1在与附面层BL1相互干扰时发生反射，产生一道反射激波S2，与此同时激波附面层的相互作用会诱发附面层的分离，原本附着于壁面的低速区域会暂时离开壁面运动，并在下游某一位置重新附着于壁面流动，这一过程称为附面层分离——再附过程，此外在干扰区结尾会产生不稳定激波S3，经过干扰区后附面层明显增厚成为BL2；严重影响进气道的内流品质，造成进气道出口流场畸变，从而影响进气道性能
实施例：一种抑制激波附面层干扰的自适应抽吸孔板，有效地抑制和削弱激波附面层干扰造成的分离流等的影响，并在一定程度上减小局部的流动损失，保障内流品质，参考图1，包括在壁面上激波附面层剧烈干扰区域沿流向安装大开孔率的抽吸孔板和设置在抽吸孔板下方的孔板抽吸腔5，其中，抽吸孔板的开孔率为15％-50％，其中，考虑抽吸效果，如图3和图4所示，抽吸孔2的开孔形状为圆孔或带有圆角的矩形孔；
如图1所示，抽吸孔板下方设置一定通道高度(为圆孔直径或矩形孔当量直径的3-10倍)的孔板抽吸腔5，孔板抽吸腔5上设有抽吸腔通道出口6，孔板抽吸腔5通过抽气路通向节流装置4，由节流装置4调节排气面积来维持抽吸腔静压，要求保持抽吸孔2内气流的流量系数为2％-6％；
其中，如果抽吸孔2形状为如图3所示的圆形孔，其当量直径为：de＝d；如果抽吸孔2形状为如图4所示的带有圆角的矩形孔，其当量直径为：
L、W为矩形的长和宽，r为圆角半径；
抽吸孔2内气流的流量系数计算方式为：
Pt,0和Tt,0分别为来流总压与总温，Atotal为抽吸孔开孔总面积，
为实际通过抽吸孔的流量。
如图1和图5所示，在抽吸孔板下方对应安装多段堵孔栅1(1-1和1-2分别为堵孔栅的2种状态，1-1为打开状态，1-2为关闭状态)，详细结构如图7所示，是由网格条栅架8和在网格条栅架节点上安装的堵孔短圆柱9组成，每段堵孔栅1对应多排孔，排数等于该段堵孔栅1的长度除以每排抽吸孔孔心之间的距离，堵孔栅1的形状和尺寸要与抽吸孔保持一致，保证堵孔栅1处于关闭状态时，壁面仍能保持较光顺的固壁造型，同时堵孔短圆柱9尺寸与抽吸孔2保持合适的公差，能保证顺畅开闭孔；
其中，堵孔栅1的长度要大于出现较强激波附面层干扰区长度的一半，激波附面层干扰区长度按当地附面层厚度进行计算，一般为动量损失附面层厚度θ的30-40倍，即堵孔栅1长度l满足，
其中，δ为附面层物理厚度，Ue为主流区气流速度，Vx为气流沿y向的速度分布；
本实施例中，开闭抽吸孔2的启闭装置采用的被动式堵孔栅启闭装置由安装有弹簧装置的驱动器3和静压引气管7等结构组成。在堵孔栅1前后缘设置静压引气管7，用于监控该段堵孔栅1所对应壁面的压力动态变化情况，当出现前后缘压力大幅上升的情况时(参考图6中的3-1)，压力差作用在适当面积S的驱动驱动器3的气室活塞上，产生下移驱动力，预先选择压缩弹簧设置其开闭临界弹力＝堵孔栅承受压差力+S×k×来流总压，k可取0.2-0.3，S为堵孔栅1与气流接触表面的总面积，若气室活塞压力加上堵孔栅承受压差力大于压缩弹簧开闭临界弹力，则堵孔栅1打开，分离流通过抽吸孔板排出通道；反之驱动器3内弹簧顶起该段堵孔栅1，抽吸孔2关闭
结合图1和图6对工作原理进行说明：如图1所示，流向位置上激波S1与附面层BL1干扰，诱发附面层分离，产生了如图6中所示的AB段压力激增区域，在堵孔栅1-1前后设置的静压引气管监控到壁面压力大幅上升的变化，压力差压缩弹簧3-1，驱动驱动器下移，使得堵孔栅1-1打开，干扰区内的低速流，通过抽吸孔板流入抽吸腔5，节流装置4调节腔内压力，控制抽吸流量，保证有效抽吸低速流的同时不影响主流区流动。在干扰区下游，BC段压力趋于稳定，堵孔栅1-2前后的静压引气管7未监控到壁面压力明显变化，弹簧3-2保持自由状态，堵孔栅1-2关闭，壁面保持光顺的固壁状态。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实例而已，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)
1.一种抑制激波附面层干扰的自适应抽吸孔板，其特征在于：包括抽吸孔板和设置在抽吸孔板下方的孔板抽吸腔，所述孔板抽吸腔内沿流向安装多段堵孔栅，多段堵孔栅与启闭装置相连，所述启闭装置驱动堵孔栅堵塞或打开抽吸孔板对应位置处的抽吸孔；
其中，堵孔栅长度l满足公式为：
其中，δ为附面层物理厚度，Ue为主流区气流速度，Vx为气流沿y向的速度分布；
其中，多段堵孔栅主要由网格条栅架和在网格条栅架节点上安装的堵孔短圆柱组成，其中，所述堵孔短圆柱的形状和尺寸要与抽吸孔一致；
每段所述堵孔栅对应多排抽吸孔，其中，排数等于该段堵孔栅的长度除以每排抽吸孔孔心之间的距离。
2.根据权利要求1所述的一种抑制激波附面层干扰的自适应抽吸孔板，其特征在于：所述抽吸孔板的开孔率为15％-50％，其中，抽吸孔的开孔形状为圆孔。
3.根据权利要求1或2所述的一种抑制激波附面层干扰的自适应抽吸孔板，其特征在于：所述孔板抽吸腔的高度为抽吸孔板抽吸孔当量直径的3-10倍。
4.根据权利要求3所述的一种抑制激波附面层干扰的自适应抽吸孔板，其特征在于：所述孔板抽吸腔通过抽气路通向节流装置，由所述节流装置调节排气面积来维持孔板抽吸腔静压，保持抽吸孔内气流的流量系数为2％-6％；
其中，抽吸孔内气流的流量系数计算方式为：
Pt,0和Tt,0分别为来流总压与总温，Atotal为抽吸孔开孔总面积，
为实际通过抽吸孔的流量。
5.根据权利要求1所述的一种抑制激波附面层干扰的自适应抽吸孔板，其特征在于：所述启闭装置为被动式堵孔栅启闭装置，以激波形成流向某个位置的压力作为激励信号，驱动堵孔栅堵塞或打开抽吸孔板该位置处的抽吸孔。
6.根据权利要求5所述的一种抑制激波附面层干扰的自适应抽吸孔板，其特征在于：所述启闭装置包括安装有弹簧装置的驱动器以及布设在堵孔栅前后缘的静压引气管，所述静压引气管用于监控该段堵孔栅所对应壁面的压力动态变化，当压力差大于弹簧装置的开闭临界弹力时，驱动该位置的堵孔栅将对应的抽吸孔打开，反之，驱动该位置的堵孔栅堵塞对应抽吸孔。
7.根据权利要求6所述的一种抑制激波附面层干扰的自适应抽吸孔板，其特征在于：所述弹簧装置的开闭临界弹力＝堵孔栅承受压差力+S×k×来流总压，其中，S为堵孔栅与气流接触表面的总面积，k取0.2-0.3。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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