CN115306559A - 一种抑制隔离段激波串突跳的分布式自适应流动控制方法及其控制装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于高超声速进气道‑隔离段流场调控领域，公开了一种抑制隔离段激波串突跳的分布式自适应流动控制方法及其控制装置。在隔离段壁面上分布射流阵列并通过对稳压腔(2‑4)分段控制来实现隔离段内前后压力的连通，将抽取下游四角的低速附面层气流，然后通过回流管压入上游的分布式射流槽(2‑3)对核心流进行分布式预压缩。本发明用以解决隔离段壁面压力分布不均的问题。
Description
技术领域
本发明属于高超声速进气道-隔离段流场调控领域，具体涉及一种抑制隔离段激波串突跳的分布式自适应流动控制方法及其控制装置。
背景技术
超燃冲压发动机利用进气道-隔离段的激波增压原理对来流进行压缩，为燃烧室提供稳定的压缩气流。隔离段是位于进气道和燃烧室之间的重要部件，它在宽工况下通过激波串流场结构平衡隔离段进口压力与燃烧室入口的高反压形成的压比，隔离了燃烧过程和压缩过程之间的相互干扰，使进气道捕获流量在宽燃烧工况下不受燃烧反压的影响，保证了超燃冲压发动机在宽工况下的稳定可靠工作。
对于实际工作中的隔离段，来流先经过进气道的压缩再进入隔离段。对于未按照消波原则设计的进气道而言，不可避免的会产生唇口激波，即便是按照消波原则设计的进气道，在非设计点下，也会产生唇口激波。唇口激波经过壁面反射进入隔离段，形成入射激波，在一些情况下，唇口激波诱导产生边界层分离，形成分离激波和再附激波，这些波系同样会进入隔离段。入射激波在隔离段内上下壁面间不断反射，形成复杂的背景波系。
背景波系的存在不仅增加了激波串上游气流的不均匀程度，在流向和横向形成多次参数间断，还改变了近壁低能流的流动特性，而这些对于激波串来说都是至关重要的。激波串在背景波系下的前移过程往往伴随着突跳运动特性，突跳特性对发动机可靠工作、稳定控制等有重要影响。为了在整个激波串前移路径上都能抑制激波串突跳的发生，减缓壁面逆压力梯度，并提高附面层流速。
发明内容
本发明提供一种抑制隔离段激波串突跳的分布式自适应流动控制方法及其控制装置，用以解决隔离段壁面压力分布不均的问题。
本发明通过以下技术方案实现：
本发明的有益效果是：
本发明实现了隔离段内前后压力的连通，将抽取下游四角的低速附面层气流，然后通过回流管压入上游分布式射流槽对核心流进行分布式预压缩，改善隔离段壁面压力分布；其中抽吸和射流流量在回流管中通过上下游压力自适应匹配。
本发明采用分布式自适应流动控制时，激波串的突跳现象可以被有效地延迟，并且激波串突跳的幅度也有效地减小。
本发明通过缓解激波串的突跳行为，提高了发动机的安全裕度
本发明通过缓解激波串的突跳行为，使得激波串前缘位置的估计与建模更加准确，提升了进气道状态监测与预警的精度
本发明通过缓解激波串的突跳行为，使得激波串的振荡幅度降低，进而降低了壁面的非定常气动负荷。
附图说明
图1是本发明激波串突跳运动图，其中，图1-(a)流场纹影图；图1-(b)U5压力传感器的频率-能量时间分布图。
图2是本发明隔离段流动控制装置，其中，图2-(a)安装了控制装置的隔离段以及气流路径示意图；图2-(b)分布式射流槽、稳压腔、局部狭窄通道和下游璧角抽吸腔示意图。
图3是本发明分布式射流形成的曲面压缩模式图，其中，图3-(a)低反压工况图；图3-(b)高反压工况图。
图4是本发明静压时空分布情况图，其中，图4-(a)无分布式自适应控制时的顶壁图；图4-(b)无分布式自适应控制时的底壁图；图4-(c)采用分布式自适应控制时的顶壁图；图4-(d)采用分布式自适应控制时的底壁图。
图5是本发明的方法流程图。
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。
一种抑制隔离段激波串突跳的分布式自适应流动装置的控制方法，所述控制方法为，在隔离段壁面上分布射流阵列并通过对稳压腔(2-4)分段控制来实现隔离段内前后压力的连通，将抽取下游(即下游槽(2-2))四角的低速附面层气流，然后通过回流管压入上游(即上游槽(2-1))的分布式射流槽(2-3)对核心流进行分布式预压缩。
其中射流流量来自对隔离段下游边角区域低能流体的抽吸(即下游璧角抽吸腔(1-1))，回流流量通过回流管道内的流量限制结构(2-4-1)限制。
本发明实现了隔离段内前后压力的连通，将抽取下游四角的低速附面层气流，然后通过回流管压入上游分布式射流槽对核心流进行分布式预压缩，改善隔离段壁面压力分布；其中抽吸和射流流量在回流管中通过上下游压力自适应匹配。
一种抑制隔离段激波串突跳的分布式自适应流动装置的控制方法，所述控制方法具体包括以下步骤：为了在整个隔离段长度内都能对壁面压力梯度进行控制，在隔离段内分布射流阵列(布满整个隔离段)并把所有分布式射流槽(2-3)接入同一个稳压腔(2-4)内；
步骤1：分析静压上升的各个因素，在假设绝热条件下，计算上游来流经过射流槽的压力增量；
步骤2：基于步骤1的计算分析得出压力的增量主要来自射流流量；
步骤3：基于步骤2的分析得出回流管道内必须设置流量限制结构；
步骤4：基于步骤2的分析得出射流槽阵列在布置上与进气道喉部保持2-5倍的当地边界层厚度，并限制第一道射流形成的压力；
步骤5：基于步骤2的分析得出稳压腔(2-4)的个数通过射流流量压力计算得出；
步骤6：当射流槽阵列的压比超过阈值，则有必要在隔离段壁面上布置多个稳压腔，分别接入不同的射流阵列，对壁面压力分布进行分段控制。
一种抑制隔离段激波串突跳的分布式自适应流动装置的控制方法，所述步骤1中分析静压上升的各个因素具体为，通过一维粘性流体的压力上升公式进行分析：
其中A是局部的流通截面积，Mu是射流位置上游的马赫数，D是管道水力直径，Cf是壁面摩擦系数，V是当地流场的流速，Vinject是射流速度，αinject是射流角度，
是隔离段上游来流的质量流量。
4.根据权利要求3所述分布式自适应流动装置的控制方法，所述步骤1中在假设绝热条件下，计算上游来流经过射流槽的压力增量具体为，压力增量表示为：
式(2)表示各个流场变量对压力上升的贡献。
步骤2的基于步骤1的计算分析得出压力的增量主要来自射流流量具体分析为，式(2)中第一项(即
)表示由局部的有效流动截面积变化引起的压力增加，由于分母在超声速条件下是负数，所以流通截面积增大会引起压力降低，反之亦然；
第二项(即
)表示由表面摩擦引起的压力增加；
第三项(即
)对应各个射流槽流量注入引起的压力增加的总和。
在射流阵列所在区域，由于管道截面是没有增加的，所以压力上升主要由射流流量注入贡献。
一种抑制隔离段激波串突跳的分布式自适应流动装置的控制方法，所述步骤3中回流管道内必须设置流量限制结构的具体分析为，由于射流槽的流量即能是来自外接高压气源，也能是来自对隔离段下游的高压区域的抽吸获得的流量，所以当从隔离段靠近出口位置引气时，要考虑反压通过抽吸回流到射流槽后自由前传至隔离段上游的问题，即回流管道内必须设置流量限制结构。
一种抑制隔离段激波串突跳的分布式自适应流动装置的控制方法，所述步骤4中射流槽阵列在布置上应该与进气道喉部保持2-5倍的当地边界层厚度，并限制第一道射流形成的压力具体为，当隔离段壁面布满射流槽时，射流槽的总宽度的极限值是隔离段长度，即整个隔离段壁面都可以自由流入。如果此时不限制下游回流流量，反压就可以直接上传至隔离段整个壁面区域；此状态相当于进气道喉部出口的超声速气流射入一个高压环境，并在包围超声速核心流的滑移型面上形成类似喷管尾流的自由边界波系。射流槽如果直接位于隔离段入口(即进气道喉部)，射流对核心流的推挤作用会降低喉部流通截面积并提高进气道外压段的总收缩比，还会导致临界压缩状态的外进气道进入不起动。因此，射流槽阵列在布置上应该与进气道喉部保持一些距离，并限制第一道射流形成的压力。
一种抑制隔离段激波串突跳的分布式自适应流动装置的控制方法，所述步骤5中稳压腔(2-4)的个数通过射流流量压力计算得出具体为，隔离段原本应该起到的最基本的功能，就是隔离下游反压前传。因此回流管道内的限流狭缝是必须要设计的，通过限制回流流量，避免燃烧室反压自由上传而缩短隔离段等效长度。当狭缝处的流速达到马赫1时，达到回流流量的临界状态，其确定方法为：
本发明所采用的超声速风洞实验台的实验段横截面为50mm宽，30mm高的矩形。控制回流流量的狭缝截面积可以设计为约等于隔离段横截面积的4％。然后，截面的最大流量可通过式(3)确定为0.14kg/s。已知隔离段流量的设计值为1.85kg/s。于是可得到当最大回流流量被达到时，回流管内的流量约占隔离段总流量的15％。
射流的注入压力也是需要预估的。因为当射流压力过大时，将会在射流位置造成较严重的流动分离，或导致射流推挤核心流而形成的压缩前缘无法稳定挂载于射流槽前缘。在刚好位于射流槽阵列所在区域的上游，附面层可承受的压力上升是可以通过超声速相互作用理论确定的。
当射流压力过大，将会在射流位置造成较严重的流动分离；通过超声速相互作用理论，来自稳压腔的射流压力需要满足式(4)，
其中p1是射流槽阵列上游部分的来流压力；p2是射流压力也是超声速核心流受射流增压后的压力；M1是射流区域上游部分的马赫数；超声速核心流与射流之间会形成一个接触面，因为射流的压力较高，超声速核心流被迫诱导产生斜激波以提高压力，使波后气流压力与射流压力相等，并引起气流偏折。该接触面形成了一个自由边界，边界两侧气流的压力相等但速度不相等；实验中可以通过附面层动量厚度确定的动量厚度雷诺数，再确定壁面摩擦系数为1.4×10-3；计算得到许用的最大压比为约2.03。
一种抑制隔离段激波串突跳的分布式自适应流动装置的控制方法，所述步骤6具体为，当射流槽阵列的压比超过2.03，此时射流所形成的压缩前缘等效喉道是无法稳定挂载于下游射流阵列前缘的，而且该压比又远小于隔离段所能承载的最大压比。为了更好地利用整个隔离段长度，并对来流进行有效压缩，则有必要在隔离段壁面上布置多个稳压腔，分别接入不同的射流阵列，对壁面压力分布进行分段控制；对于隔离段上游区域，需要射流阵列以一个较低的压力注入，目的是防止压缩前缘因为压比过大而导致压缩失稳。对于隔离段下游区域的射流阵列，可以用一个稍高的压力注入，以实现对来流进一步压缩并平衡上下游压比。
一种抑制隔离段激波串突跳的分布式自适应流动控制装置，所述分布式自适应流动控制装置包括T型板(1)和方形板(2)与底板(3)，所述方形板(2)上开设上游槽(2-1)和下游槽(2-2)，所述上游槽(2-1)和下游槽(2-2)通过稳压腔(2-4)连通，所述稳压腔(2-4)设置流量限制结构(2-4-1)，所述上游槽(2-1)与下游槽(2-2)均设置分布式射流槽(2-3)；
所述分布式射流槽(2-3)在上游槽(2-1)与下游槽(2-2)形成分布射流阵列；
所述T型板(1)的竖直端的底端与方形板(2)的下游槽(2-2)端相连接，所述T型板(1)与方形板(2)之间的凹槽为下游璧角抽吸腔(1-1)；
所述T型板(1)和方形板(2)组合后扣在底板(3)上。
实际使用时将控制装置直接安装在隔离段壁面上即可，很具上述计算，基于压力比，超过压力比则设置多组控制装置。
一种抑制隔离段激波串突跳的分布式自适应流动控制装置，所述流量限制结构(2-4-1)包括但不限于节流阀或狭缝。由于狭缝截面的流量最多只能达到形成壅塞的临界条件，所以局部狭缝的横截面积越小，最大流量也就越小。
如图1所示，当无分布式自适应流动控制时，激波串在带有背景波系的隔离段中的前移过程会有突跳，这将给激波串前缘位置建模和控制带来巨大挑战。由于激波串前缘局部流动分离状态对激波串的运动特性起着重要作用。本发明提出的控制思想是分布式自适应流动控制，对激波串上游来流进行预压缩，以降低激波串前缘处突然上升的逆压力梯度。另一方面，在激波串前移过程中，激波串区域的压力要明显高于上游区域，并且越往下游压力越高。这种压差可以被利用起来形成下游的附面层抽吸然后在隔离段里进行射流控制。
隔离段作为进气道的延伸部分，需要保持一个合适的沿程压力梯度，既平衡上下游的压力，又不至于引起局部的压力梯度过大。当超声速气流进入一个射流形成的高压力环境，由于环境压力高于入口截面的气流压力，气流一进入就会形成斜激波，使波后的压力与环境压力相等。隔离段入口处的射流压力可以适当低一些，隔离段下游的射流压力可以适当高一些，形成一个入口低出口高的压力分布。单独设置一组射流槽是无法实现这样的控制的。因此，为了合理控制隔离段内的压力分布，沿流动方向设置两组以上不同压力的稳压区域是很有必要的。于是，如图2(a)所示的控制装置被设计出来，并提出了分布式流动控制方法的概念，该方案的气流路径示意图如图2(a)所示。
对于矩形截面的隔离段，因为边角效应，低能量的附面层气流主要是堆积在下游四个角上，所以抽吸槽被开在隔离段出口的四个边角。一部分二次流在压差作用下被压入角部的抽吸槽，接着通过回流管道流入上游的两个稳压腔，然后在压差驱动下以45度角分布地注入到上游流场。腔体采用局部狭窄喉道来调节前传流量，以防止反压直接通过回流管前传至隔离段入口而破坏上游流场进而严重降低进气道的抗反压能力。上游的那组射流槽的流量，间接来自下游的那个稳压腔。显然，上游的射流槽的射流压力会低于下游射流槽。随着反压继续升高，上下游两组稳压腔自适应地匹配每组分布式射流槽的流量。这两个稳压腔的设计目的是这样的：1、使隔离段内的压力分布呈现入口低出口高的压缩过程，以匹配上下游压力。2、由于每组射流槽共用一个稳压腔，其控制结果是每组射流区域的压力梯度被减缓。3、压力自动调整，在没达到狭缝的临界条件时，反压越高，上游的射流流量越大。
因为激波串突跳与局部逆压力梯度诱导的剧烈的流动分离有关，所以这个设计有可能改变由流动分离引起的激波串突跳前移过程。图2(b)展示了这两组分布式射流槽，它们通过回流槽和稳压腔分布于整个隔离段区域，目的是为了在一个较宽的范围对激波串运动进行控制，而不是仅仅在激波串已运动至靠近隔离段喉部的临近不起动位置时才进行控制。这种分布式流动控制方法使用了回流管道，从下游四角堆积的低能量边界层区域获得流量，然后在引导到上游壁面上喷射。回流管道的流量由上下游压力自适应匹配，但对最大流量做了限制。最大流量的调节方法需要控制回流管道的狭缝宽度。狭缝通道的横截面积设计为3mm宽、5mm高的矩形。当控制装置同时安装在隔离段顶部和底部壁面上时，回流管中狭窄通道的总截面积占隔离器段主管截面积的4％。由于射流流量来自下游区域的抽吸，所以射流装置不需要额外的外部气源并且进气道总流量不会受到损耗。与其他流动控制方案相比，因为本方案没有把装置插入隔离段流场，不会造成隔离段流通截面缩减，因此对进气道起动性能也不会产生不良影响。
在本发明设计的分布式自适应流动控制方法中，对壁面压力分布控制与对来流的压缩过程控制，主要是靠安装在壁面上下游的两组射流槽阵列来实现。其中，下游抽吸和回流是为了获得射流的流量。分布式射流控制的流场简图如图3所示。回流管把下游抽吸得到的高压气体依次引入下游稳压腔和上游稳压腔，然后通过分布于隔离段壁面上的45°射流狭槽把回流流量射入回隔离段，提高当地近壁面流动的静压和流速。通过这套装置，反压可以在回流管里实现前传，于是产生了一种与常规等直隔离段激波串压缩不同的压缩模式。
隔离段内超声速流场的流动分离平台压比是2.03，当反压较低时，下游稳压腔的压比小于2.03，射流形成压缩曲面前缘可以位于下游射流阵列，因为此时的射流压力小于马赫3下流动分离的平台压力。上游射流阵列并没有明显的流量注入，此时上游射流阵列处不形成压缩曲面，只因射流槽的存在而形成一系列比较弱的波系。随着下游稳压腔区域的射流压比提高并超过2.03，射流形成的压缩曲面前缘就无法稳定在下游射流阵列前缘，此时压缩曲面的前缘起始点位于上游稳压腔所连接的上游射流阵列的前缘，如图3(a)所示。此阶段，上游稳压腔获得的回流流量注入较少。在压缩曲面的前缘，因为初始压升较小，其推挤核心流所形成的曲面压缩形状是内凹的，如图3(a)所示。当随着下游反压提高，下游稳压腔的压力也随之继续增高，更多的流量可以通过两个上下游稳压腔之间的狭缝注入到上游稳压腔。然后，也随着上游稳压腔压力提高，更多流量被注入到隔离段流场的上游射流槽阵列。这些注入的流量进一步推挤隔离段中的超声速核心流，使其流通截面积逐渐缩小。这种推挤作用下，射流形成的二次流与核心流之间的滑移层向流场内部鼓起，即压缩曲面形状随着上游稳压腔压力提高，前缘形状逐渐从凹陷变成平直。同时，因为稳压腔压力提高引起的射流压力提高，原压缩曲面前缘的第一道激波的强度也逐渐增强，这从纹影图像中的激波成像颜色和角度都能有所表现。该过程的前缘流场结构随着反压提高而转换的过程如图3(a)和图3(b)所示。
如图4所示，对比了有无分布式自适应流动控制时，相同背压增加速率下，激波串的上游传播过程。图4(a)和4(b)展示了无分布式自适应流动控制时，顶壁和底壁压力的时空分布。从压力的时空分布图中可以定位激波串发生突跳的时刻。如图4(a)所示，在t＝1.8140s时，从x＝0.095m到x＝0.175m处的五个压力传感器均检测到了压力的突然增加。这是因为激波串前缘已经越过了这五个压力传感器，如图4(b)所示也能看到相同的现象。图4(c)和4(d)展示了顶壁和底壁采用分布式自适应流动控制压力的时空分布。从t＝0.0s到t＝4.1935s，随着背压的线性增加，下游射流槽的稳压腔中的压比缓慢增加到4。此时，上游射流槽的稳压腔中的压比缓慢增加到2.5。上、下游射流槽的稳压腔内的压力可以自适应匹配背压。可以看到，当采用分布式自适应流动控制时，激波串的突跳现象可以被有效地延迟，并且激波串突跳的幅度也有效地减小。
Claims (10)
1.一种抑制隔离段激波串突跳的分布式自适应流动装置的控制方法，其特征在于，所述控制方法为，在隔离段壁面上分布射流阵列并通过对稳压腔(2-4)分段控制来实现隔离段内前后压力的连通，将抽取下游四角的低速附面层气流，然后通过回流管压入上游的分布式射流槽(2-3)对核心流进行分布式预压缩。
2.根据权利要求1所述分布式自适应流动装置的控制方法，其特征在于，所述控制方法具体包括以下步骤：
步骤1：分析静压上升的各个因素，在假设绝热条件下，计算上游来流经过射流槽的压力增量；
步骤2：基于步骤1的计算分析得出压力的增量主要来自射流流量；
步骤3：基于步骤2的分析得出回流管道内必须设置流量限制结构；
步骤4：基于步骤2的分析得出射流槽阵列在布置上与进气道喉部保持2-5倍的当地边界层厚度，并限制第一道射流形成的压力；
步骤5：基于步骤2的分析得出稳压腔(2-4)的个数通过射流流量压力计算得出；
步骤6：当射流槽阵列的压比超过阈值，则有必要在隔离段壁面上布置多个稳压腔，分别接入不同的射流阵列，对壁面压力分布进行分段控制。
3.根据权利要求1所述分布式自适应流动装置的控制方法，其特征在于，所述步骤1中分析静压上升的各个因素具体为，通过一维粘性流体的压力上升公式进行分析：
其中A是局部的流通截面积，Mu是射流位置上游的马赫数，D是管道水力直径，Cf是壁面摩擦系数，V是当地流场的流速，Vinject是射流速度，αinject是射流角度，
是隔离段上游来流的质量流量。
4.根据权利要求3所述分布式自适应流动装置的控制方法，其特征在于，所述步骤1中在假设绝热条件下，计算上游来流经过射流槽的压力增量具体为，压力增量表示为：
式(2)表示各个流场变量对压力上升的贡献。
5.根据权利要求1所述分布式自适应流动装置的控制方法，其特征在于，所述步骤3中回流管道内必须设置流量限制结构的具体分析为，由于射流槽的流量即能是来自外接高压气源，也能是来自对隔离段下游的高压区域的抽吸获得的流量，所以当从隔离段靠近出口位置引气时，要考虑反压通过抽吸回流到射流槽后自由前传至隔离段上游的问题，即回流管道内必须设置流量限制结构。
6.根据权利要求1所述分布式自适应流动装置的控制方法，其特征在于，所述步骤4中射流槽阵列在布置上应该与进气道喉部保持2-5倍的当地边界层厚度，并限制第一道射流形成的压力具体为，如果此时不限制下游回流流量，反压就可以直接上传至隔离段整个壁面区域射流槽如果直接位于隔离段入口，射流对核心流的推挤作用会降低喉部流通截面积并提高进气道外压段的总收缩比，还会导致临界压缩状态的外进气道进入不起动。
7.根据权利要求5所述分布式自适应流动装置的控制方法，其特征在于，所述步骤5中稳压腔(2-4)的个数通过射流流量压力计算得出具体为，
当射流压力过大，将会在射流位置造成较严重的流动分离；通过超声速相互作用理论，来自稳压腔的射流压力需要满足式(4)，
其中p1是射流槽阵列上游部分的来流压力；p2是射流压力也是超声速核心流受射流增压后的压力；M1是射流区域上游部分的马赫数；超声速核心流与射流之间会形成一个接触面，该接触面形成了一个自由边界，边界两侧气流的压力相等但速度不相等；确定的动量厚度雷诺数，再确定壁面摩擦系数为1.4×10-3；计算得到许用的最大压比为约2.03，即阈值。
8.根据权利要求7所述分布式自适应流动装置的控制方法，其特征在于，所述步骤6具体为，当射流槽阵列的压比超过2.03，则有必要在隔离段壁面上布置多个稳压腔，分别接入不同的射流阵列，对壁面压力分布进行分段控制；以实现对来流进一步压缩并平衡上下游压比。
9.根据权利要求1-8任一所述一种抑制隔离段激波串突跳的分布式自适应流动控制装置，其特征在于，所述分布式自适应流动控制装置包括T型板(1)和方形板(2)与底板(3)，所述方形板(2)上开设上游槽(2-1)和下游槽(2-2)，所述上游槽(2-1)和下游槽(2-2)通过稳压腔(2-4)连通，所述稳压腔(2-4)设置流量限制结构(2-4-1)，所述上游槽(2-1)与下游槽(2-2)均设置分布式射流槽(2-3)；
所述分布式射流槽(2-3)在上游槽(2-1)与下游槽(2-2)形成分布射流阵列；
所述T型板(1)的竖直端的底端与方形板(2)的下游槽(2-2)端相连接，所述T型板(1)与方形板(2)之间的凹槽为下游璧角抽吸腔(1-1)；
所述T型板(1)和方形板(2)组合后扣在底板(3)上。
10.根据权利要求9所述分布式自适应流动控制装置，其特征在于，所述流量限制结构(2-4-1)包括但不限于节流阀或狭缝。
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