CN114771804A - 非对称凹槽液膜定向飞溅气动结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及航空航天领域，尤其是涉及一种非对称凹槽液膜定向飞溅气动结构。非对称凹槽液膜定向飞溅气动结构，包括蒙皮，在该蒙皮表面上沿翼展方向设置有非对称凹槽，该非对称凹槽的剖面深度k＜δ/50，同时无量纲内尺度粗糙高度k + <10；其中k + =kV τ /V，V τ 为壁面剪切速度，V为飞行速度，δ为边界层厚度。本发明的非对称凹槽液膜定向飞溅气动结构，在蒙皮表面上沿翼展方向设置有非对称凹槽，当非对称凹槽的剖面深度k＜δ/50，同时无量纲内尺度粗糙高度k + <10时，可以在不影响表面气动性能的情况下，促进液滴向下游、远离壁面方向飞溅，进而减少气动面液膜流量，起到较好的防溢流冰的效果。

Description

非对称凹槽液膜定向飞溅气动结构
技术领域
本发明涉及航空航天领域，尤其是涉及一种非对称凹槽液膜定向飞溅气动结构。
背景技术
结冰是导致飞机飞行事故的主要原因之一，飞机机翼、尾翼前缘的结冰，会导致翼型阻力增加，升力下降，临界攻角减小以及操纵性和稳定性的恶化，造成严重的飞行事故，因此受到人们的广泛关注和研究。根据防冰所采用能量形式的不同，可分成机械除冰系统、电脉冲防冰系统、液体防冰系统、热空气防冰系统和电热防冰系统。其中电热除冰、热气除冰等防除冰方案目前应用广泛。
防冰系统关注液滴直接撞击的气动表面，如机翼前缘，但在一些情况下，如云内水含量过高不完全蒸发的防冰系统可以导致溢流水结冰问题；防除冰系统功率适配不当也可能造成水膜沿气动面向下游流动过程中再次冻结，形成溢流冰。溢流冰在飞行的过程中不断积累形成冰脊，使得飞机升力下降、阻力增加，严重影响机翼的气动特性，对飞机的飞行安全造成危害。因此，目前有很多工作围绕溢流冰的防除技术开展。
现有技术中，专利US20190112980在飞机热防冰系统下游，使用压缩空气对溢流水进行吹除，防止溢流冰的形成。杨升科提出一种低能耗的电加热系统与合成射流激励器复合式防冰方法。该方法将电加热系统布置于机翼前缘，通过加热使得机翼前缘温度高于冻结温度，防止过冷水滴在机翼前缘冻结，合成射流出口位于电加热系统防护区下游，通过合成射流的吹吸作用改变溢流水的运动轨迹，防止前缘溢流水流至机翼后表面形成冰脊。
现有技术中，专利US20180009538在翼面开设集水沟槽进行导流，并在沟槽内表面设置憎冰、疏水表面及电加热装置，实现对溢流水的高效收集。
综上，控制溢流冰形成的主要方式包括吹除溢流水、溢流水收集、降低溢流冰粘附力或对溢流冰进行破碎等。由于飞机飞行速度高，飞机机翼等气动表面表面溢流水水膜厚度往往在亚毫米量级，在低温环境下表面换热很快。在机翼外表面对溢流水/溢流冰处理存在需控制区域要求面积大、防冰效果不理想的问题。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明提供一种促进液滴飞溅、减少溢流冰产生的非对称凹槽液膜定向飞溅气动结构。
本发明采用的技术方案是：非对称凹槽液膜定向飞溅气动结构，包括蒙皮，在该蒙皮表面上沿翼展方向设置有非对称凹槽，该非对称凹槽的剖面深度k＜δ/50，同时无量纲内尺度粗糙高度k + <10；其中k + =kV τ /V，V τ 为壁面剪切速度，V为飞行速度，δ为边界层厚度。
为更好地实现本发明，所述的非对称凹槽从机翼根部延伸至机翼端部。
为更好地实现本发明，所述的非对称凹槽包括靠近机翼前缘的上游面和远离机翼前缘的下游面，所述的上游面的下洗角度为a，满足45°≤a≤90°，下游面的抬升角度为b，满足5≤b≤10°。
为更好地实现本发明，在所述的上游面和下游面交汇处设置有进液狭缝，在所述的蒙皮下部设置有微型压电陶瓷泵，该微型压电陶瓷泵的进液管与进液狭缝配合，微型压电陶瓷泵的排液管延伸至蒙皮表面且位于非对称凹槽的后方。
为更好地实现本发明，在所述的蒙皮内部设置有与进液狭缝配合的集液槽，所述的进液管与该集液槽连通。
为更好地实现本发明，所述的进液狭缝沿翼展方向间歇性设置。
为更好地实现本发明，所述的排液管配合有单向阀。
为更好地实现本发明，所述的单向阀为瓣膜单向阀、薄膜单向阀、球形单向阀或特斯拉阀。
为更好地实现本发明，所述的非对称凹槽为多组，多组非对称凹槽之间平行设置，且均匀或非均匀间隔设置。
为更好地实现本发明，所述的非对称凹槽为以非对称凹槽的剖面在蒙皮表面沿波浪形前缘扫略，形成的2.5维非对称凹槽结构。
本发明的有益效果：
1. 与现有技术相比，本发明的非对称凹槽液膜定向飞溅气动结构，在蒙皮表面上沿翼展方向设置有非对称凹槽，当非对称凹槽的剖面深度k＜δ/50，同时无量纲内尺度粗糙高度k + <10时，可以在不影响表面气动性能的情况下，促进液滴向下游、远离壁面方向飞溅，进而减少气动面液膜流量，起到较好的防溢流冰的效果。
2. 设计进液狭缝和集液槽，能够方便收集反向飞溅的液滴，液滴从进液管到达微型压电陶瓷泵，然后再从排液管射流出去，实现对溢流水的高效移除。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明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，下面所描述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获得其他的附图。
图1是本发明的非对称凹槽液膜定向飞溅气动结构的一种结构示意图；
图2是本发明的非对称凹槽液膜定向飞溅气动结构的另一种结构示意图；
图3是图2的另一种结构示意图；
图4是本发明的非对称凹槽液膜定向飞溅气动结构中的又一种结构示意图；
图中，1—蒙皮，2—上游面，3—下游面，4—集液槽，5—进液狭缝，6—微型压电陶瓷泵，7—进液管，8—排液管。
具体实施方式
以下的说明提供了许多不同的实施例、或是例子，用来实施本发明的不同特征。以下特定例子所描述的元件和排列方式，仅用来精简的表达本发明，其仅作为例子，而并非用以限制本发明。
当液滴冲击固体表面液膜时，根据碰撞前液滴速度，会有几种表现：当液滴落到液面上的速度很小时，由于液滴冲击，在液面上形成毛细波逐渐向外传播，液滴完全与液膜融合。当液滴以一定速度撞击液面时，在撞击点周围会产生液体涌起形成水花，当液滴撞击液面速度更大时，形成的水花顶部会发生失稳而破裂为小的液滴，形成“皇冠”状水花，产生飞溅现象。
同样撞击速度下，液滴飞溅在液膜表面飞溅量大于干壁面。同时，由于液膜的不可压缩性使液滴撞击动量快速传递，液滴在液膜表面撞击时有更大的临界角度。在过冷大水滴等情况下，液滴的飞溅影响会显著影响结冰的冰形分布。
通过影响飞溅量、控制飞溅角度，可以促使更大量飞溅二次液滴向远离壁面的高空飞溅，减少飞行器表面结冰量。
以往有一些表面微结构气动减阻结构，使用顺流向的V沟槽、后者凸起的Λ形表面微结构，但这类方案存在易磨损破坏、受到污染物后产生负面效果等不利因素，因此没有大规模推广使用。
其中还有一种非对称凹槽微结构（流向cm量级，深度0.5mm量级）被证实具有较好的一定的减阻效果，是一种较为理想的低阻力波浪构型。
本发明涉及了一种微尺度不对称凹槽表面结构，以促进液滴的飞溅。并结合微型不对称凹槽收集溢流水，使用微型压电陶瓷泵对溢流水进行射流移除。
如图1所示，本发明的非对称凹槽液膜定向飞溅气动结构，包括蒙皮1，在该蒙皮1表面上沿翼展方向设置有非对称凹槽，该非对称凹槽的剖面深度k＜δ/50，同时无量纲内尺度粗糙高度k + <10；其中k + =kV τ /V，V τ 为壁面剪切速度，V为飞行速度，δ为边界层厚度。与现有技术相比，本发明的非对称凹槽液膜定向飞溅气动结构，在蒙皮1表面上沿翼展方向设置有非对称凹槽，当非对称凹槽的剖面深度k＜δ/50，同时无量纲内尺度粗糙高度k + <10时，可以在不影响表面气动性能的情况下，促进液滴向下游、远离壁面方向飞溅，进而减少气动面液膜流量，起到较好的防溢流冰的效果。所述的非对称凹槽为多组，多组非对称凹槽之间平行，且均匀或非均匀间隔设置。本申请的非对称凹槽结构在蒙皮1表面上，除去飞机电热防冰部段的最前段不用设置外，可以在飞机电热防冰部段中段、后段以及剩余的蒙皮1的表面设置。需要说明的是，本申请的非对称凹槽结构还可以设置在舰船、极地建筑物的壁面上起到防溢流冰的效果。所述的非对称凹槽可以采用模压、激光雕刻等方式生成，相对耐磨损，且单体损坏不影响整体功能。
作为优选的，所述的非对称凹槽从机翼根部延伸至机翼端部，这样设计以后，让非对称凹槽覆盖更多的区域，提高了防溢流冰效果。
作为优选的，如图2所示，所述的非对称凹槽包括靠近机翼前缘的上游面2和远离机翼前缘的下游面3，所述的上游面2的下洗角度为a，满足45°≤a≤90°，下游面3的抬升角度为b，满足5≤b≤10°。作为一种优选的角度，非对称凹槽的上游面2的下洗角度为60°，下游面3的抬升角度为7°，即单个非对称凹槽的流向尺度L约为8.7k。
作为优选的，如图3所示，在所述的上游面2和下游面3交汇处设置有进液狭缝5，在所述的蒙皮1下部设置有微型压电陶瓷泵6，该微型压电陶瓷泵6的进液管7与进液狭缝5配合，微型压电陶瓷泵6的排液管8延伸至蒙皮1表面且位于非对称凹槽的后方。作为优选的，在所述的蒙皮1内部设置有与进液狭缝5配合的集液槽4，所述的进液管7与该集液槽4连通。这样设计以后，利用非对称凹槽下部的集液槽4收集液滴，液滴从进液管7到达微型压电陶瓷泵6，然后再从排液管8射流出去，实现对溢流水的高效移除。
作为优选的，如图3所示，所述的进液狭缝5沿翼展方向间歇性设置。所述的间歇性设置是指设置多个进液狭缝5，多个进液狭缝5一般均匀间隔设置，两行非对称凹槽之间的间距一般为1L~3L。实现进液管的流量与流向有关的特性，使微型压电陶瓷泵6的流体向内部输送。
作为优选的，所述的排液管8配合有单向阀，能够让溢流水从排液管8顺利排出，所述的单向阀包括但不限于瓣膜单向阀、薄膜单向阀、球形单向阀、特斯拉阀。作为优选的，一个微型压电陶瓷泵6根据其面积和流量设计可以覆盖多组非对称凹槽。
作为优选的，如图4所示，所述的非对称凹槽为以非对称凹槽的剖面在蒙皮1表面沿波浪形前缘扫略，形成的2.5维非对称凹槽结构，且在周期起点形成锯齿形，该锯齿形相邻两个锯齿之间的夹角为β，满足60°≤β≤120°；相邻两行非对称凹槽之间的间隔为c，满足1L≤c≤5L。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.非对称凹槽液膜定向飞溅气动结构，其特征在于：包括蒙皮（1），在该蒙皮（1）表面上沿翼展方向设置有非对称凹槽，该非对称凹槽的剖面深度k＜δ/50，同时无量纲内尺度粗糙高度k + <10；其中k + =kV τ /V，V τ 为壁面剪切速度，V为飞行速度，δ为边界层厚度。
2.根据权利要求1所述的非对称凹槽液膜定向飞溅气动结构，其特征在于：所述的非对称凹槽从机翼根部延伸至机翼端部。
3.根据权利要求1所述的非对称凹槽液膜定向飞溅气动结构，其特征在于：所述的非对称凹槽包括靠近机翼前缘的上游面（2）和远离机翼前缘的下游面（3），所述的上游面（2）的下洗角度为a，满足45°≤a≤90°，下游面（3）的抬升角度为b，满足5≤b≤10°。
4.根据权利要求3所述的非对称凹槽液膜定向飞溅气动结构，其特征在于：在所述的上游面（2）和下游面（3）交汇处设置有进液狭缝（5），在所述的蒙皮（1）下部设置有微型压电陶瓷泵（6），该微型压电陶瓷泵（6）的进液管（7）与进液狭缝（5）配合，微型压电陶瓷泵（6）的排液管（8）延伸至蒙皮（1）表面且位于非对称凹槽的后方。
5.根据权利要求4所述的非对称凹槽液膜定向飞溅气动结构，其特征在于：在所述的蒙皮（1）内部设置有与进液狭缝（5）配合的集液槽（4），所述的进液管（7）与该集液槽（4）连通。
6.根据权利要求4所述的非对称凹槽液膜定向飞溅气动结构，其特征在于：所述的进液狭缝（5）沿翼展方向间歇性设置。
7.根据权利要求4所述的非对称凹槽液膜定向飞溅气动结构，其特征在于：所述的排液管（8）配合有单向阀。
8.根据权利要求7所述的非对称凹槽液膜定向飞溅气动结构，其特征在于：所述的单向阀为瓣膜单向阀、薄膜单向阀、球形单向阀或特斯拉阀。
9.根据权利要求1所述的非对称凹槽液膜定向飞溅气动结构，其特征在于：所述的非对称凹槽为多组，多组非对称凹槽之间平行设置，且均匀或非均匀间隔设置。
10.根据权利要求1所述的非对称凹槽液膜定向飞溅气动结构，其特征在于：所述的非对称凹槽为以非对称凹槽的剖面在蒙皮（1）表面沿波浪形前缘扫略，形成的2.5维非对称凹槽结构。
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