CN116395132B - 一种超声速边界层转捩控制结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超声速边界层转捩控制结构，所述转捩控制结构包括等离子体激励器和台阶结构，所述等离子体激励器设置于飞行器表部，所述台阶结构设置于所述等离子体激励器的下游，通过等离子体激励器产生的人工扰动并利用台阶结构迅速放大，进而引起下游边界层提前转捩。本发明采用介质阻挡放电产生等离子体引入人工扰动，所消耗的能量远远低于电弧放电，且对物体表面的烧蚀影响较低。考虑到介质阻挡放电产生的人工扰动初始幅值较低，本发明采用斜波转捩机制或后向台阶结构以迅速放大扰动进而同样起到促进转捩的作用。
Description
技术领域
本发明属于空气动力学技术领域，尤其涉及一种超声速边界层转捩控制结构及控制方法。
背景技术
在高超声速情况下，湍流边界层的壁面摩阻与壁面热流通常3-5倍于层流边界层，这对飞行器的气动性能与热防护均提出了较高的要求。对于发动机等部件内部流动而言，其存在明显的激波边界层干扰现象，研究表明促进边界层转捩可以有效的抑制这种边界层分离现象，进而提升发动机性能。
目前超声速流动中边界层转捩过程主要分为线性阶段和非线性阶段。线性阶段中，不稳定波幅值呈现出线性发展的特性，随着幅值不断增大最终进入非线性阶段；非线性阶段中人们发现存在斜波转捩现象，即一对波数相同、波角相反的扰动可以形成定常的涡结构，其迅速发展并最终导致边界层转捩。
目前，针对超声速边界层转捩控制问题，根据是否存在外界能量的注入主要可以分为主动控制与被动控制两种方法。等离子体控制作为目前常见的主动控制手段，具有响应迅速、能耗低、可操作性强等优点。介质阻挡放电是一种可以在常温常压下产生等离子体的方法，其基本原理是在一层绝缘介质的上下两侧分别布置电极，在高压高频率的交流电作用下，埋藏在绝缘介质中的电极上方生成弱电离的低温等离子体。通过这种方式，介质阻挡放电可以有效地在高超声速边界层中引入特定频率的不稳定波。
对于真实情况下的高速飞行器结构，其表面可能会因为两个部件之间的装配误差或者热膨胀而形成一些结构缺陷。此外，飞行器中用于观测的光学窗口因镶嵌光学玻璃的需要而自然的产生前/后向台阶结构。当这些台阶高度较低时，这些结构缺陷会在边界层内引入不稳定扰动进而导致提前转捩；当达到一定高度时，这些结构缺陷会阻碍正常的流动、甚至影响飞行器气动性能。
目前将等离子体技术应用于超声速边界层转捩控制的报道大多是利用了等离子体的高能量特性来实现的，这种方式要求等离子体在较长时间内持续存在，一般采用单/多路滑动弧放电方法；然而，这种方式存在能量利用率低的缺点；此外，长时间大功率放电在向边界层内引入能量的同时会产生大面积烧蚀，严重时甚至会烧穿表面。
发明内容
本发明的目的在于：为了克服现有技术问题，公开了一种超声速边界层转捩控制结构，通过利用等离子体作为人工扰动来源，并利用飞行器中常见的台阶结构对扰动迅速放大，进而迅速引起边界层转捩。
本发明目的通过下述技术方案来实现：
一种超声速边界层转捩控制结构，所述转捩控制结构包括等离子体激励器和台阶结构，所述等离子体激励器设置于飞行器表部，所述台阶结构设置于所述等离子体激励器的下游，通过等离子体激励器产生的人工扰动并利用台阶结构迅速放大，进而引起下游边界层提前转捩。
根据一个优选的实施方式，所述等离子体激励器为采用介质阻挡放电方法产生的等离子体。
根据一个优选的实施方式，所述等离子体激励器包括：裸露电极、物面、埋藏电极、电源和导线；所述裸露电极设置于物面的上表面，所述埋藏电极埋设于物面的下表面，所述裸露电极与埋藏电极经导线与电源连通；所述物面为飞行器表部面层，所述裸露电极与埋藏电极在飞行器流向方向上错位设置。
根据一个优选的实施方式，所述裸露电极与埋藏电极间距为1~2mm。
根据一个优选的实施方式，所述裸露电极及埋藏电极在展向方向具有一维设计结构。
根据一个优选的实施方式，所述裸露电极在流向及展向方向上具有二维设计结构，所述埋藏电极在展向方向具有一维设计结构。
根据一个优选的实施方式，所述裸露电极包括沿展向方向设置的条状结构，以及平行于流向方向设置的若干支棱结构，各支棱结构与条状结构相连。
根据一个优选的实施方式，所述裸露电极包括沿展向方向设置的条状结构，以及于流向方向设置的若干V型电极对结构，各V型电极对结构与条状结构相连。
根据一个优选的实施方式，所述台阶结构为朝向流向方向的后向台阶。
前述本发明主方案及其各进一步选择方案可以自由组合以形成多个方案，均为本发明可采用并要求保护的方案。本领域技术人员在了解本发明方案后根据现有技术和公知常识可明了有多种组合，均为本发明所要保护的技术方案，在此不做穷举。
本发明的有益效果：本发明采用介质阻挡放电产生等离子体引入人工扰动，所消耗的能量远远低于电弧放电，且对物体表面的烧蚀影响较低。考虑到介质阻挡放电产生的人工扰动初始幅值较低，本发明采用斜波转捩机制或后向台阶结构以迅速放大扰动进而同样起到促进转捩的作用。
附图说明
图1是本发明超声速边界层转捩控制结构中等离子体激励器放电原理示意图；
图2是本发明超声速边界层转捩控制结构中等离子体激励器的一个实施结构示意图；
图3是本发明超声速边界层转捩控制结构中等离子体激励器的一个实施结构示意图；
图4是本发明超声速边界层转捩控制结构中等离子体激励器的一个实施结构示意图；
图5是本发明超声速边界层转捩控制结构的结构示意图；
其中，101-裸露电极，102-等离子体，103-物面，104-埋藏电极，105-电源，106-导线，107-初始扰动，108-台阶结构，109-二次扰动。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，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。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
另外，本发明要指出的是，本发明中，如未特别写出具体涉及的结构、连接关系、位置关系、动力来源关系等，则本发明涉及的结构、连接关系、位置关系、动力来源关系等均为本领域技术人员在现有技术的基础上，可以不经过创造性劳动可以得知的。
实施例1：
参考图5所示，本实施例公开了一种超声速边界层转捩控制结构，所述转捩控制结构包括等离子体激励器和台阶结构108，所述等离子体激励器设置于飞行器表部，所述台阶结构108设置于所述等离子体激励器的下游。所述台阶结构108为朝向流向方向的后向台阶。通过等离子体激励器产生的人工扰动并利用台阶结构108迅速放大，进而引起下游边界层提前转捩。
优选地，所述等离子体激励器为采用介质阻挡放电方法产生的等离子体102。
由于等离子体激励器采用介质阻挡放电方法产生的等离子体能量很低，因此人工扰动产生的初始扰动107的幅值很小。对于一个确定的工况，后向台阶布置在下游可以有效的放大不稳定波的扰动。鉴于台阶结构108在飞行器表面普遍存在，通过将介质阻挡放电等离子体激励器与台阶结构108结合，实现了迅速放大不稳定扰动的幅值。
具体地，在台阶结构108上游的上表面布置裸露电极101和埋藏电极104，则由介质阻挡放电产生的初始扰动107会被台阶所放大，变为幅值较大的二次扰动109，并最终导致下游转捩位置前移。
本发明超声速边界层转捩控制结构利用了边界层固有的不稳定性，采用介质阻挡放电产生边界层转捩所需的不稳定波并利用后向台阶将不稳定波幅值迅速抬升，最终引起边界层迅速转捩。这种方法相比于传统能量注入方法不同之处在于其对外界能量输入要求较低，且对表面的烧蚀影响远远小于传统电弧等离子体。
即是，本发明采用介质阻挡放电产生等离子体引入人工扰动，所消耗的能量远远低于电弧放电，且对物体表面的烧蚀影响较低。考虑到介质阻挡放电产生的人工扰动初始幅值较低，本发明采用斜波转捩机制或后向台阶结构以迅速放大扰动进而同样起到促进转捩的作用。
优选地，参考图1所示，所述等离子体激励器包括：裸露电极101、物面103、埋藏电极104、电源105和导线106。裸露电极101设置于物面103的上表面，所述埋藏电极104埋设于物面103的下表面，所述物面103为飞行器表部面层，所述裸露电极101与埋藏电极104在飞行器流向方向上错位设置。其中，裸露电极101可采用展向一维设计也可采用流、展向二维设计，埋藏电极104则采用流向一维设计。所述裸露电极101与埋藏电极104经导线106与电源105连通，此时若电源105开始工作，则等离子体激励器会在该间距范围内生成等离子体102。优选地，所述裸露电极101与埋藏电极104间距为1~2mm。
如图2所示，在某应用场景中，针对的是Ma4.5、来流温度65.15K、壁面温度290K的工况，此时先采用线性稳定性分析理论确定最不稳定的二维扰动：频率为150kHz、展向波数为0。所述裸露电极101及埋藏电极104在展向方向具有一维设计结构。
优选地，所述裸露电极101在流向及展向方向上具有二维设计结构，所述埋藏电极104在展向方向具有一维设计结构。
如图3所示，在某应用场景中，线性稳定性分析也表明了最不稳定的三维扰动：频率为75kHz、展向波数为0.5，此时裸露电极101采用二维设计。所述裸露电极101包括沿展向方向设置的条状结构，以及平行于流向方向设置的若干支棱结构，各支棱结构与条状结构相连。各支棱结构之间的间距为。
或者，参考图4所示，也可以利用前述的斜波转捩机制，此时可以将裸露电极101的每组电极设计为“电极对”形式，“电极对”张开的角度即为最不稳定波角度的2倍。所述裸露电极101包括沿展向方向设置的条状结构，以及于流向方向设置的若干V型电极对结构，各V型电极对结构与条状结构相连。
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 (7)
1.一种超声速边界层转捩控制结构，其特征在于，所述转捩控制结构包括等离子体激励器和台阶结构，所述等离子体激励器设置于飞行器表部，所述台阶结构设置于所述等离子体激励器的下游，通过等离子体激励器产生的人工扰动并利用台阶结构迅速放大，进而引起下游边界层提前转捩；
所述等离子体激励器为采用介质阻挡放电方法产生的等离子体；
所述台阶结构为朝向流向方向的后向台阶。
2.如权利要求1所述的超声速边界层转捩控制结构，其特征在于，所述等离子体激励器包括：裸露电极（101）、物面（103）、埋藏电极（104）、电源（105）和导线（106）；
所述裸露电极（101）设置于物面（103）的上表面，所述埋藏电极（104）埋设于物面（103）的下表面，所述裸露电极（101）与埋藏电极（104）经导线（106）与电源（105）连通；
所述物面（103）为飞行器表部面层，所述裸露电极（101）与埋藏电极（104）在飞行器流向方向上错位设置。
3.如权利要求2所述的超声速边界层转捩控制结构，其特征在于，所述裸露电极（101）与埋藏电极（104）间距为1~2mm。
4.如权利要求2所述的超声速边界层转捩控制结构，其特征在于，所述裸露电极（101）及埋藏电极（104）在展向方向具有一维设计结构。
5.如权利要求2所述的超声速边界层转捩控制结构，其特征在于，所述裸露电极（101）在流向及展向方向上具有二维设计结构，所述埋藏电极（104）在展向方向具有一维设计结构。
6.如权利要求5所述的超声速边界层转捩控制结构，其特征在于，所述裸露电极（101）包括沿展向方向设置的条状结构，以及平行于流向方向设置的若干支棱结构，各支棱结构与条状结构相连。
7.如权利要求5所述的超声速边界层转捩控制结构，其特征在于，所述裸露电极（101）包括沿展向方向设置的条状结构，以及于流向方向设置的若干V型电极对结构，各V型电极对结构与条状结构相连。
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