CN114856814A - 一种用于流动控制的等离子体合成射流涡流发生装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于流动控制的等离子体合成射流涡流发生装置，包括本体，本体安装于进气道内部，本体包括发生器，发生器设有三角形斜坡，三角形斜坡上设有射流孔，发生器内设有射流激励器，射流激励器与射流孔连通，射流激励器内安装有电源机构。本发明综合了等离子体合成射流激励器与涡流发生器的优点，进一步提高了主动流动控制效果，解决了进气道内部旋流畸变控制难度大的问题，显著提高进气道出口流场品质，同时能够适应不同工况，控制效果好，能够产生进气道出口截面最大的总压恢复，具有良好的工程应用前景。

Description

一种用于流动控制的等离子体合成射流涡流发生装置

技术领域

本发明涉及进气道性能提高技术领域，特别是涉及一种用于流动控制的等离子体合成射流涡流发生装置。

背景技术

现代高性能军用战斗机特别强调高隐身性，但目前先进战斗机的涡轮发动机有极大的雷达反射面积，极易被对方侦查设施捕捉到，所以具备高隐身性能的战斗机的进气道通常是一个S弯弯管，以遮挡发动机，来降低压气机叶片对雷达波的反射。S弯进气道流场中存在着复杂的流动问题，在其弯曲段由于曲率过大和流向扩张产生的强逆压梯度会导致流动分离，流动分离会导致进气道出口截面总压恢复系数降低，进而减小了发动机的推力，严重时会造成发动机喘振熄火。

针对该问题，目前对于进气道的流动控制主要分为主动的有源控制和被动的无源控制两种，被动控制方案不需要提供额外的动力装置，结构简单，容易实现，目前最成功的是涡流发生器，尺寸大的涡流发生器可以最有效的减小总压畸变，但却无法产生最大的总压恢复，一旦设计好便无法改变，不能根据工况的变化而进行自主调节，不易满足宽包线工作要求，甚至在某些非设计工况下会使进气道性能显著下降；主动控制方案主要包括安装合成射流装置和进行附面层的抽吸，应用较为广泛，其能够适应不同工况，控制效果好，但结构复杂，需要额外动力，有一定的实现困难。

因此，需要一种用于流动控制的等离子体合成射流涡流发生装置，以解决传统涡流发生器无法产生最大的总压恢复，不能根据工况的变化而进行自主调节的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于流动控制的等离子体合成射流涡流发生装置，以解决上述现有技术存在的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种用于流动控制的等离子体合成射流涡流发生装置，包括本体，所述本体安装于进气道内部，所述本体包括发生器，所述发生器设有三角形斜坡，所述三角形斜坡上设有射流孔，所述发生器内设有射流激励器，所述射流激励器与所述射流孔连通，所述射流激励器内安装有电源机构。

优选的，所述发生器为涡流发生器。

优选的，所述射流激励器为等离子体合成射流激励器，所述等离子体合成射流激励器内中空且安装有所述电源机构，所述等离子体合成射流激励器的顶部与所述涡流发生器连通。

优选的，所述涡流发生器内固接有台型底座，所述等离子体合成射流激励器固接在所述台型底座上，所述电源机构包括分别固接在所述台型底座顶面的高压电极和低压电极，所述高压电极和低压电极的顶部位于所述等离子体合成射流激励器内，所述高压电极和所述低压电极的底部伸出至所述涡流发生器的底部。

优选的，所述高压电极和所述低压电极之间存在间隙。

优选的，所述涡流发生器和所述台型底座的材料为陶瓷。

优选的，所述射流孔的长度为5-8mm，宽度为0.8-2mm，厚度为0.7-2mm。

优选的，所述涡流发生器的底面三角形腰长为20-30mm，底边长10-20mm，涡流发生器垂直方向上的高度为10-20mm。

本发明公开了以下技术效果：本发明的用于流动控制的等离子体合成射流涡流发生装置通过将本体安装在进气道内部流动分离区域并通过产生旋涡及等离子体射流对进气道内部的分离流场施加扰动。发生器为涡流发生器，射流激励器为等离子体合成射流激励器，三角斜坡外形的涡流发生器诱导产生旋涡，对进气道内部的分离流体施加扰动，增加附面层的掺混，等离子体合成射流激励器将高能流体注入三角斜坡涡流发生器的后方低能流体，通过涡流掺混和热流扰动，促进主流与分离剪切层的掺混，从而进一步降低进气道出口截面的总压畸变，从而到达进气道内部分离流动控制的效果。本发明综合了等离子体合成射流激励器与涡流发生器的优点，进一步提高了主动流动控制效果，解决了进气道内部旋流畸变控制难度大的问题，显著提高进气道出口流场品质，同时能够适应不同工况，控制效果好，能够产生进气道出口截面最大的总压恢复，具有良好的工程应用前景。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明用于流动控制的等离子体合成射流涡流发生装置中的外部结构示意图；

图2为本发明用于流动控制的等离子体合成射流涡流发生装置中的内部侧视图；

图3为本发明用于流动控制的等离子体合成射流涡流发生装置中的俯视剖视图；

图4为实施例2的结构示意图；

图5为不同位置施加等离子体激励时得到的S弯进气道出口截面总压恢复系数分布图；

图6为不同激励电压下不同射流角度激励器进气道出口截面的平均总压恢复系数随激励电压的变化曲线图；

图7为激励器射流角度对于的出口截面总压恢复系数分布图；

其中：1、射流孔；2、涡流发生器；3、等离子体合成射流激励器；4、台型底座；5、高压电极；6、低压电极。

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。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1

参照图1-3，本发明提供一种用于流动控制的等离子体合成射流涡流发生装置，包括本体，本体安装于进气道内部，本体包括发生器，发生器设有三角形斜坡，三角形斜坡上设有射流孔1，发生器内设有射流激励器，射流激励器与射流孔1连通，射流激励器内安装有电源机构。

发生器为涡流发生器2，将涡流发生器2设置为三角形斜坡，用于安装在进气道内部流动分离区域并通过产生旋涡对进气道内部的分离流场进行流动控制，涡流发生器2的主要流动控制作用是提高近壁面流体的速度和改变流体的流动方向，使其偏离进气道对称面流动，且相对于速度的影响，改变流体的流动方向的作用更为显著；射流激励器为等离子体合成射流激励器3，等离子体合成射流激励器3的射流孔1位于涡流发生器2背离来流方向的一侧，形状为狭缝式，射流孔1的面积与形状影响等离子体合成射流激励器3喷出射流的质量流量与速度，狭缝式的射流孔1与等离子体合成射流激励器3弥补了传统圆孔式出口激励器形成的射流质量过小的问题。狭缝式出口使等离子体合成射流激励器3的射流孔1面积增大，在射流喷出后的回流阶段，外界流场回流的通道较为通畅，回流到等离子体合成射流激励器3腔体的气流质量越大，更有利于腔体内与外界气流的掺混，从而减弱了热累计状态，等离子体合成射流激励器3能够更顺利地进行下一次射流，等离子体合成射流激励器3的临界放电频率与放电的饱和度也随之增大，使等离子体合成射流激励器3应用的进气道流场流动状态范围增大。

进一步优化方案，等离子体合成射流激励器3内中空且安装有电源机构，等离子体合成射流激励器3的顶部与涡流发生器2连通。

等离子体合成射流激励器3的腔体形状为圆柱体，深度为10mm，直径为8mm。此参数下的等离子体合成射流激励器3腔体内所存气体较多，在回流阶段容易使外界低温气体吸入等离子体合成射流激励器3，使腔体内高温气体与之充分掺混，使等离子体合成射流激励器3的临界放电频率与放电的饱和度增大，又不至于因为腔体体积过大而导致等离子体合成射流激励器3产生的冲击波与射流速度大幅降低的现象。

进一步优化方案，涡流发生器2内固接有台型底座4，等离子体合成射流激励器3固接在台型底座4上，电源机构包括分别固接在台型底座4顶面的高压电极5和低压电极6，高压电极5和低压电极6的顶部位于等离子体合成射流激励器3内，高压电极5和低压电极6的底部伸出至涡流发生器2的底部。

进一步优化方案，高压电极5和低压电极6之间存在间隙。

高压电极5和低压电极6材料选用钨针，长度为8mm，直径为1mm。高压电极5与低压电极6之间的间隙距离为2-3mm，位于等离子体合成射流激励器3内的钨针长度为5mm，高压电极5和低压电极6平行于射流孔1布置，如此设置，使等离子体合成射流激励器3产生的等离子体更有利于电弧的产生，且高压电极5和低压电极6竖向间隔的布局结构利于降低击穿空气所需要的电压及提高钨针的寿命，高压电极5通过导线与高压脉冲电源高压端连接，低压电极6通过导线与高压脉冲电源低压端连接，高压电极5一般击穿空气是需要3kV以上的高压，正常的等离子体合成射流激励器3产生较好的流动控制效果需要7kV的电压，依据实际的进气道构型以及外部环境可选择相应的电压。

等离子体合成射流激励是将电弧放电等离子体与合成射流激励方式相结合的一种新型激励方式，其主要工作过程包括：

1、能量沉积：利用电弧放电等离子体产生瞬间对腔体内气体快速加热，腔内气体的温度和压力急剧升高；

2、射流喷出：由于腔体内外间的压力差，驱使腔内高温高压气体从射流孔喷出，首先形成高速的冲击波，随后形成速度较快的射流；

3、吸气恢复：射流喷出后，腔内温度、气压降低，外界气体填充腔体，等待下一次激励循环。

进一步优化方案，涡流发生器2和台型底座4的材料为陶瓷。

陶瓷材料一方面，不容易烧蚀，稳定性高；另一方面热传导系数高的材料有利于等离子体合成射流激励器3散热，提高等离子体合成射流激励器3的重频性能，台型底座与三角斜坡涡流发生器通过耐高温胶体进行粘结。

进一步优化方案，射流孔1的长度为5-8mm，宽度为0.8-2mm，厚度为0.7-2mm。本实施例中优选长度为6mm，宽度为1mm，厚度为1mm。

进一步优化方案，涡流发生器2的底面三角形腰长为20-30mm，底边长为10-20mm，涡流发生器2垂直方向上的高度为10-20mm。

本实施例中优选涡流发生器2底面三角形腰长为25mm，底边长15mm，高度为15mm，其轴线与来流方向保持一致。

本实施例中，涡流发生器2的主要作用机理为提高近壁面流体的速度和改变流体的流动方向，一方面，涡流发生器2可以使主流区位置下移并形成通道涡，将高能流体下拉，提高近壁面侧的流体动能，使之流动速度加快；另一方面，在尾迹区涡流发生器使原来的流体偏离进气道对称面运动，避免了中心高压区的产生，抑制流动分离。而在涡流发生器2作用后的尾迹区，由于涡流发生器2自身对于来流存在阻碍作用和尾迹区部分流体的回流，导致了单纯使用涡流发生器2的流动控制效果欠佳。因此，在涡流发生器2作用后施加等离子体合成射流气动激励，通过诱导产生反向旋转的涡结构，将高能流体注入涡流发生器2的后方的低能流体，促进高能流体与壁面的低能流体掺混，增强了壁面流动能量，产生类似“壁面射流”的控制效果，另外，部分诱导产生的没有充分的时间发展的小漩涡，附着在涡流发生器2表面，产生虚拟气动外形，进一步减小了激励位置附近的逆压梯度，因此可以更好的实现抑制流动分离的作用。

实施例2

参照图4-6，将本体在进气道内部的流动分离区前侧沿周向方向排列设置多个，通过覆盖进气道下壁面的流动分离区整个前侧，对分离气流产生扰动，诱导多个旋涡产生，旋涡促进主流高能流体与附面层低能流体的掺混，增加壁面底部流体能量，提高抵抗逆压梯度的能力，进而减弱甚至消除附面层分离。

本实施例中本体的射流角度为30°，通过大量的激励特性实验和风洞实验表明射流角度为30°的等离子体合成射流激励对提高气流流动速度的效果最佳。当射流角度偏向于法向时，作用机理主要是促进附面层内低速流体和主流的相互掺混，提高附面层内低速流体抵抗逆压梯度的能力，促进流动再附；当射流角度偏向于切向时，主要通过射流孔喷出的高速射流与附面层内流体相互掺混，提高附面层内流体的流动速度。当射流角度为30°时，此时的掺混作用占主导，且兼顾有部分提高逆压梯度的能力，流动控制效果最佳。

在某型S弯进气道模型上进行等离子体合成射流控制其表面流动分离的实验研究，经计算，在90°、60°、30°激励时，出口截面DC(90)的值分别较基准减小了24.67％、28.14％、49.14％，且可以看出，30°激励展现出优越的控制效果，其对总压恢复系数的提升程度约为另外两者的两倍，另外，在改变流场畸变方面，30°激励能够减小DC(90)值近一半。在30°激励时，可以进一步减小低压区的面积，整个出口截面的总压恢复系数值也被提高到0.986以上，其流场更加均匀，流场品质大大提高。这说明在S弯进气道的流动控制中，射流角度将是一个关键性的影响因素。

在不同激励电压下测试了三种不同射流角度激励器在S弯进气道上的流动控制能力，进气道出口截面的平均总压恢复系数随激励电压的变化曲线如图6所示。总体来说，30°射流激励器的控制效果要优于60°和90°射流激励器,其在每一个激励电压下的总压恢复系数都要高于其余两者。

进气道出口截面DC(90)可以进一步表征激励器射流角度对控制流场畸变效果的影响，结果表明，60°射流与90°射流对进气道流场的畸变控制能力相当。30°射流激励器则可以使进气道的流场畸变程度达到最低，在Up-p＝6kV、7kV、8kV、9kV、10kV的激励电压下畸变指数DC(90)分别较基准状态减小了21.04％、21.47％、22.54％、24.68％、32.16％。这说明在高电压30°射流激励器的作用下，S弯进气道的流场畸变程度得到了极大的改善，流场变得更加均匀，其流动控制效果十分优越。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种用于流动控制的等离子体合成射流涡流发生装置，其特征在于：包括本体，所述本体安装于进气道内部，所述本体包括发生器，所述发生器设有三角形斜坡，所述三角形斜坡上设有射流孔(1)，所述发生器内设有射流激励器，所述射流激励器与所述射流孔(1)连通，所述射流激励器内安装有电源机构。

2.根据权利要求1所述的用于流动控制的等离子体合成射流涡流发生装置，其特征在于：所述发生器为涡流发生器(2)。

3.根据权利要求2所述的用于流动控制的等离子体合成射流涡流发生装置，其特征在于：所述射流激励器为等离子体合成射流激励器(3)，所述等离子体合成射流激励器(3)内中空且安装有所述电源机构。

4.根据权利要求3所述的用于流动控制的等离子体合成射流涡流发生装置，其特征在于：所述涡流发生器(2)内固接有台型底座(4)，所述等离子体合成射流激励器(3)固接在所述台型底座(4)上，所述电源机构包括分别固接在所述台型底座(4)顶面的高压电极(5)和低压电极(6)，所述高压电极(5)和低压电极(6)的顶部位于所述等离子体合成射流激励器(3)内，所述高压电极(5)和所述低压电极(6)的底部伸出至所述涡流发生器(2)的底部。

5.根据权利要求4所述的用于流动控制的等离子体合成射流涡流发生装置，其特征在于：所述高压电极(5)和所述低压电极(6)之间存在间隙。

6.根据权利要求5所述的用于流动控制的等离子体合成射流涡流发生装置，其特征在于：所述涡流发生器(2)和所述台型底座(4)的材料为陶瓷。

7.根据权利要求1所述的用于流动控制的等离子体合成射流涡流发生装置，其特征在于：所述射流孔(1)的长度为5-8mm，宽度为0.8-2mm，厚度为0.7-2mm。

8.根据权利要求2所述的用于流动控制的等离子体合成射流涡流发生装置，其特征在于：所述涡流发生器(2)的底面三角形腰长为20-30mm，底边长为10-20mm，所述涡流发生器(2)垂直方向上的高度为10-20mm。

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