CN116534246A - 一种流向涡调制装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及飞行器技术领域，公开了一种流向涡调制装置，应用于表面具有高超声速流体边界层的壁面，流向涡调制装置包括：设置在壁面上且凸出于壁面的三维粗糙元，用于延迟高超声速流体边界层的流向涡转捩；设置在壁面上且位于三维粗糙元背离来流方向一侧的控温组件，用于对壁面进行加热或降温。本申请中将壁面上设置凸出于壁面表面的三维粗糙元，并将壁面上三维粗糙元背离来流方向的一侧设置控温组件，可以在一定程度上使得被三维粗糙元进行调制后的流向涡结构内膜态更为稳定，由此更好得保证三维粗糙元实现流向涡转捩延迟有效性，有助于该流向涡调制装置应用于飞行器时，提升飞行器飞行的稳定性，提升飞行器的有效载荷。

Description

一种流向涡调制装置

技术领域

本发明涉及飞行器技术领域，特别是涉及一种流向涡调制装置。

背景技术

高超声速飞行器在飞行的过程中其机翼的表面以及其他直接和气流接触的表面，不可避免的会形成相对于飞行器的壁面的高超声速气流边界层。高超声速边界层转捩的会使得湍流边界层的壁面摩擦系数和传热系数急剧增加，进而使得飞行器在飞行过程中的壁面温度和总阻力增大。由此若对高超声速边界层的转捩进行控制调节，对飞行器的降热和减阻有非常重要的意义。

通过粗糙元是抑制边界层转捩经过几十年的实验、理论和数值研究，已经取得了许多有意义的结果。James等通过实验研究了粗糙元对边界层转捩的影响，并发现对于一定范围的马赫数（2.8<Ma<7），都存在一个最优的粗糙元高度，最大程度地抑制边界层转捩。Holloway和Sterrett通过实验研究了马赫数4.8和6下球形粗糙元对高超声速平板边界层转捩的影响，发现当粗糙元尺度较小时，对边界层转捩有延迟效果。Marxen等采用DNS研究了粗糙元对马赫数4.8的平板边界层稳定性的影响，发现粗糙元对一定频率范围的波有抑制作用，能一定程度上抑制边界层转捩。Fong等结合数值和实验手段观察到粗糙元对于马赫数6裙锥边界层存在抑制效果，即当二维粗糙元布置在高超声速边界层快慢模态共振点附近时，能很好的抑制边界层不稳定扰动幅值。

但以上结论均处于理论研究阶段，而并未应用于实践中；且基于上述理论也无法实现对飞行器中高超声速边界层转捩控制调节。

发明内容

本发明的目的是提供一种流向涡调制装置，能够在一定程度上延迟流向涡转捩，保证流向涡结构内膜态更为稳定。

为解决上述技术问题，本发明提供一种流向涡调制装置，应用于表面具有高超声速流体边界层的壁面，所述流向涡调制装置包括：

设置在所述壁面上且凸出于所述壁面的三维粗糙元，用于延迟所述高超声速流体边界层的流向涡转捩；

设置在所述壁面上且位于所述三维粗糙元背离来流方向一侧的控温组件，用于对所述壁面进行加热或降温。

可选地，所述控温组件沿所述来流方向延伸设置，且所述控温组件在所述壁面上的铺设面积不小于预设面积。

可选地，所述控温组件在所述壁面上沿所述来流方向延伸设置有多组，且每组所述控温组件之间相互独立进行加热或降温。

可选地，所述控温组件在所述壁面上的铺设位置对应于经过所述三维粗糙元后的流向涡的内模态失稳范围区域。

可选地，在气流来流方向上所述三维粗糙元位于高超声速流体的内卷涡和外卷涡相互作用区间内；在垂直于气流来流方向上所述三维粗糙元的中心位置点和流向涡对称中心线之间的距离不大于预设距离；

所述三维粗糙元的外表面与所述壁面平滑过渡；

所述三维粗糙元的高度与所述高超声速流体边界层的厚度之间的比值范围为0.3~0.6。

可选地，当所述壁面为三角翼的表面，所述三维粗糙元的外表面在三维直角坐标系中满足外形公式

；其中，所述三维直角坐标系为以所述壁面的迎风顶点为原点，以所述壁面的表面上沿气流来流方向为X轴，以垂直于所述壁面的表面方向为Y轴，以所述壁面上垂直于所述X轴方向为Z轴建立的直角坐标系；x为所述三维粗糙元的表面上的位置点在X轴上的坐标值；/>为所述三维粗糙元在XY平面内的外轮廓线上各个位置点的高度值；y为所述三维粗糙元的外表面上的位置点在Y轴上的坐标值；/>为所述三维粗糙元的最高点在Y轴方向上的最高点的最大高度值；/>为所述三维粗糙元的底部对称中心点在X轴方向的坐标值；L为所述三维粗糙元在XY平面内的顶部直线轮廓线段沿X轴方向上的宽度；/>为所述三维粗糙元在Z轴方向的一半宽度值。

可选地，所述壁面为有攻角圆锥体的背风区表面；所述三维粗糙元的外表面在三维直角坐标系中满足外形公式；且；

其中，所述三维直角坐标系为以所述有攻角圆锥体的顶点中心为原点，以所述有攻角圆锥体的中心对称轴为X轴，以垂直于所述X轴且指向所述有攻角圆锥体的背风区一侧的方向为Y轴，垂直于X轴、Y轴的方向为Z轴建立的直角坐标系；为所述三维粗糙元的表面上的位置点在X轴上的坐标值；/>为所述三维粗糙元的外表面上的位置点在Y轴上的坐标值；/>；/>、/>分别为所述三维粗糙元上的点在辅助三维直角坐标系中沿X’轴、Y’轴、Z’轴方向上的坐标值；

所述辅助三维直角坐标系为以所述有攻角圆锥体的中心对称轴上的一点为原点，以与所述有攻角圆锥体上经过所述三维粗糙元的底部对称中心点的圆锥体母线平行的方向为X’轴，以垂直于所述X’轴且指向所述有攻角圆锥体的背风区一侧的方向为Y’轴，以平行于Z轴的方向为Z’轴建立的直角坐标系；Y轴、X轴、X’轴、Y’轴位于同一平面内；

且，为所述三维粗糙元在X’Y’平面内的外轮廓线上各个位置点在Y’轴方向上的高度值；/>分别为所述有攻角圆锥体上的参照点在所述辅助三维直角坐标系中沿X’轴和Y’轴方向上的坐标值；/>为所述有攻角圆锥体的半圆锥角；/>为所述参照点和所述三维粗糙元的外轮廓上的位置点之间的连线与所述X’轴之间的夹角；/>为所述三维粗糙元的底部对称中心点在X’轴方向的坐标值；/>为所述三维粗糙元的最高点在Y’轴方向上的最高点的最大高度值；/>为所述三维粗糙元的底部在X’轴方向上的最大宽度值；/>为所述三维粗糙元在所述X’Y’平面内的顶部直线轮廓线段沿X’轴方向上的宽度；/>为所述三维粗糙元平行于Y’Z’平面的截平面上的轮廓线和所述有攻角圆锥体之间的切点和底部中心点之间的圆心角；/>为所述切点到所述X’Y’平面的距离；/>为所述切点在X’Y’平面内的投影点和所述切点之间的连线与所述X’轴之间的夹角；/>为所述三维粗糙元平行于Y’Z’平面的截平面上的轮廓顶点和底部中心点沿Y轴方向上的高度差；/>为所述三维粗糙元平行于Y’Z’平面的截平面上的轮廓顶点在Y轴上的坐标值；/>为所述切点到所述有攻角圆锥体的中心对称轴之间的距离；/>、/>均为中间运算参量。

可选地，在气流来流方向上所述三维粗糙元位于距离所述有攻角圆锥体的顶端距离为100mm~140mm。

可选地，所述壁面上沿垂直于气流来流方向设置有多个所述三维粗糙元。

本发明所提供的流向涡调制装置，应用于表面具有高超声速流体边界层的壁面，流向涡调制装置包括：设置在壁面上且凸出于壁面的三维粗糙元，用于延迟高超声速流体边界层的流向涡转捩；设置在壁面上且位于三维粗糙元背离来流方向一侧的控温组件，用于对壁面进行加热或降温。

本申请中为了对于具有超高声速流体边界层壁面对应的流向涡进行转捩调节，将壁面上设置凸出于壁面表面的三维粗糙元，使得三维粗糙元对高超声速流体边界层的流向涡起到转捩延迟作用；在此基础上，进一步地考虑到，尽管三维粗糙元可以对流向涡起到转捩延迟作用，但也同样会存在内模态不稳定的问题，为此，本申请中还进一步地将壁面上三维粗糙元背离来流方向的一侧设置控温组件，以便对壁面表面进行加热或降温，进而使得壁面和高超声速流体边界层和壁面之间可以产生热交换，从而改变高超声速流体边界层厚度，可以在一定程度上使得被三维粗糙元进行调制后的流向涡结构内膜态更为稳定，由此更好得保证三维粗糙元实现流向涡转捩延迟有效性，有助于该流向涡调制装置应用于飞行器时，提升飞行器飞行的稳定性，提升飞行器的有效载荷。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的流向涡调制装置的俯视结构示意图

图2为本申请实施例提供的有攻角圆锥上的流向涡调制装置的剖面结构示意图；

图3为本申请实施例提供的三角翼上的的流向涡调制装置的剖面结构示意图；

图4为本申请实施例提供的三维粗糙元平行于来流方向的截面轮廓示意图；

图5为本申请实施例提供的三维粗糙元垂直于来流方向的截面轮廓示意图；

图6为本申请实施例提供的有攻角圆锥上的三维粗糙元平行于Y’Z’平面的截平面内的轮廓示意图；

图7为本申请实施例提供的有攻角圆锥上的三维粗糙元在X’Y’平面内的轮廓示意图；

图8为本申请实施例提供的三维粗糙元和有攻角圆锥之间的切点轨迹在X’Z’平面内的投影示意图；

其中，10为三维粗糙元、11为壁面、20为三角翼、30为有攻角圆锥体、40为控温组件。

具体实施方式

研究发现位于流向涡结构内部的三维粗糙元，能诱导产生新的条带结构。同时，新条带能有效增强流向涡结构中内卷涡的强度，抑制外卷涡的强度，进而影响流向涡中边界层的稳定性。为此，本申请中在飞行器的壁面上在特定的位置引入被动式涡流调控器（三维粗糙元）能有效延迟流向涡转捩。

在此基础上，内模态也变得很不稳定，有可能使得转捩进一步提前。因此，为了增强三维粗糙元的控制效果，本申请中进一步地利用控温组件和三维粗糙元相互配合应用得方式，通过控温组件和边界层之间进行热传导进而改变边界层得厚度，由此抑制因三维粗糙元诱导的内模态不稳定性得问题，从而三维粗糙元能够更有效得实现流向涡转捩的延迟调节。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。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。

如图1至图8所示，本申请中的流向涡调制装置可以应用于表面具有高超声速流体边界层的壁面；且该流向涡调制装置包括：

设置在壁面11上且凸出于壁面11的三维粗糙元10，用于延迟高超声速流体边界层的流向涡转捩；

设置在壁面11上且位于三维粗糙元10背离来流方向一侧的控温组件40，用于对壁面11进行加热或降温。

如图1所示，本实施例中在实际设定该三维粗糙元10结构时，可以使得在气流来流方向上三维粗糙元10位于高超声速流体的内卷涡和外卷涡相互作用区间内；在垂直于气流来流方向上三维粗糙元10的中心位置点和流向涡对称中心线之间的距离不大于预设距离；并且，该三维粗糙元10的外表面与壁面11平滑过渡；三维粗糙元10的高度与高超声速流体边界层的厚度之间的比值范围为0.3~0.6。

本实施例中将表面具有超高声速边界层的壁面11上设置三维粗糙元10，该三维粗糙元10能在边界层中的诱导产生条带结构，调节内卷涡和外卷涡的强度，进而调节边界层中剪切强弱影响边界层稳定性，来延迟流向涡转捩。基于全局稳定性理论的eN方法的研究结果表明，当三维粗糙元10高度和边界层厚度比值为0.153时，相比光滑壁面11，转捩位置有效延后3%；当三维粗糙元10高度是边界层厚度的0.267时，转捩位置能有效延迟11%。当三维粗糙元10高度增加到边界层厚度的0.566时，延迟外模态主导的转捩能达到41%。但是此时内模态也变得很不稳定，有可能使得转捩进一步提前。因此，为了增强三维粗糙元10的控制效果，十分有必要采取其它控制手段，抑制因三维粗糙元10诱导的内模态不稳定性。

为此，本实施例中进一步地在壁面11上设置控温组件40，通过壁面11温度控制边界层内的热耗散率，调节边界层内外流体的交换，进而抑制/促进转捩。对于高超声速边界层，壁面11温度的改变会引起边界层厚度发生变化，进而改变边界层稳定性特征；根据稳定性分析结论，冷壁会使得第一模态更稳定而第二模态更不稳定，热壁相反。

因此，对于高超声速二维边界层，增加壁面11温度可以使得转捩延迟；壁面11局部冷却对高超声速二维边界层转捩的影响相反。而对于Ma6尖锥的壁面11，壁面11局部冷却可以抑制第二模态的幅值，导致转捩推迟，而壁面11局部加热会使转捩更早发生。对于高超声速有攻角流向涡结构这类三维边界层，与二维边界层性质类似，壁温升高会使得边界层变厚，减弱边界层中的剪切，抑制边界层剪切不稳定性，从而使得边界层转捩延迟。由此，对于高超声速典型流向涡结构，采用一定高度的三维粗糙元10能有效抑制流向涡边界层不稳定性，但是随着三维粗糙元10高度的增加，会导致内模态更不稳定，影响转捩控制效果，壁面11升温能延迟流向涡转捩。

在实际应用中，控温组件40在壁面11上的铺设位置根据内卷涡和外卷涡主要作用区域决定；可选地，该控温组件40在壁面11上的铺设位置可以对应于经过三维粗糙元10后的流向涡的内模态失稳范围区域。

基于上述论述可知，在实际应用中控温组件40对壁面11进行温度调节过程中，是需要对壁面11进行升温还是降温，和壁面11的实际结构相关。对于平面结构所对应的壁面11而言，例如三角翼壁面11，其表面的高超声速边界层可以视为高超声速二维边界层，由此，可以通过控温组件40对壁面11局部区域冷却实现流向涡转捩延迟。而对于Ma6尖锥壁面，则可以通过控温组件40对壁面11进行局部加热实现流向涡转捩延迟。

可以理解的是，在实际应用中，仅仅只在壁面11上设置控温组件40而不设置三维粗糙元10的基础上，也能够在一定程度上实现对流向涡转捩的延迟，但要达到较好的转捩延迟效果，需要在壁面11上更大面积区域进行冷却或加热，这在一定程度上增大了实现流向涡转捩延迟的控制成本。由此，本申请中采用三维粗糙元10和控温组件40相互配合设置于壁面11表面，能够在保证流向涡转捩延迟良好的控制效果的基础上，降低控制成本。

综上所述，本申请通过在有流向涡合理区域布置三维粗糙元，实现被动抑制流向涡边界层中主导模态外模态的不稳定性，达到抑制流向涡转捩的目的。其次，采用在流向涡区域布置壁面的控温组件，通过改变壁面温度（主动控制）的方式，实现抑制内模态不稳定性。提高三维粗糙元对流向涡转捩控制效果，最终实现对流向涡中内模态和外模态的延迟转捩控制，达到高超声速飞行器飞行下的降热减阻目的。

基于上述论述，对于本申请中的控温组件，可以是沿壁面11表面上，气流来流方向延伸设置，且控温组件40在壁面11上的铺设面积不小于预设面积。

可以理解的是，对于控制组件在壁面11上铺设覆盖的面积大小，可以基于实际的壁面11结构形状，以及壁面11所在的飞行器实际飞行过程中的气流流场特性所确定，对此本申请中不做具体限制，只要保证控温组件40的大小能够满足壁面所在的飞行器在各种不同的飞行环境下控制转捩延迟的要求即可。

此外，如图1和图2所示，对于控温组件而言，可以是若干组控温组件40依次并排设置在壁面11表面上。为了实现对壁面11表面不同区域的温度更灵活的控制，在本申请的另一可选地实施例中，还可以进一步地包括：

控温组件40在壁面11上沿来流方向延伸设置有多组，且每组控温组件40之间相互独立进行加热或降温。

由此可以根据实际需要，通过独立控制每组控温组件40的加热或冷却，从而改变对壁面11表面进行加热或冷却的面积区域大小，以适应不同的气流环境。

基于上述任意实施例，为了进一步地说明该三维粗糙元10的外形结构，以该壁面11为三角翼20的表面为例，该三维粗糙元10的外表面上各个位置点在三维直角坐标系中满足外形关系式：

；

其中，三维直角坐标系为以壁面11的迎风顶点为原点，以壁面11的表面上沿气流来流方向为X轴，以垂直于壁面的表面方向为Y轴，以壁面11上垂直于X轴方向为Z轴建立的直角坐标系；x为三维粗糙元的表面上的位置点在X轴上的坐标值；为三维粗糙元在XY平面内的外轮廓线上各个位置点的高度值；y为三维粗糙元的外表面上的位置点在Y轴上的坐标值；/>为三维粗糙元的最高点在Y轴方向上的最高点的最大高度值；/>为三维粗糙元的底部对称中心点在X轴方向的坐标值；L为三维粗糙元在XY平面内的顶部直线轮廓线段沿X轴方向上的宽度；/>为三维粗糙元在Z轴方向的一半宽度值。

参照图3，该三维直角坐标系为以壁面11的迎风顶点为原点O，以壁面11的表面上沿气流来流方向为X轴，以垂直于壁面11的表面方向为Y轴，以壁面11上垂直于X轴方向为Z轴建立的直角坐标系。

可以理解的是，XZ平面即为壁面11表面所在的平面；而Y轴则是垂直于壁面11。在图3中仅示出三维直角坐标系中XY平面，而Z轴应当是垂直于图3所示的纸面方向。

在三维直角坐标系中，分别以表示该三维粗糙元10上各个位置点分别在X轴、Y轴、Z轴上的坐标值。并且，对于该三维粗糙元在XZ平面上，也即是壁面上的底部对称中心点C0的坐标值以（/>，0，0）表示，显然，/>即为三维粗糙元的底部对称中心点C0在X轴方向的坐标值。

以为三维粗糙元10的最高点在Y轴方向上的最大高度值。优选地三维粗糙元10高度与流向涡边界层的厚度比值可以在0.3~0.6；流向涡边界层的厚度可以用当地总焓最大值来确定。

以为三维粗糙元10在XY平面内的外轮廓线上各个位置点的高度值，也可以理解为三维粗糙元10在XY平面内的外轮廓线上各个位置点在Y轴方向的坐标值。

为三维粗糙元10在XY平面内的顶部轮廓直线段沿X轴方向上的宽度。需要说明的是，三维粗糙元10的顶部为一个平行于X轴的柱曲面；且随着Z轴方向的坐标值不同，该柱曲面沿X轴方向的宽度尺寸也各不相同，该柱曲面沿X轴方向的宽度尺寸在XY平面内最大且为/>；由此，三维粗糙元10的顶部外轮廓线在XY平面内也即存在一端顶部轮廓直线段平行于X轴，且该直线段的宽度也即是/>。

为三维粗糙元10在Z轴方向的一半宽度值，如图5所示。

基于上外形关系式，即可确定出可以和三角翼20的表面平滑过度连接的三维粗糙元10。

在本申请的另一具体实施例中，以有攻角圆锥体30为例，在飞行过程中，该有攻角圆锥体30是存在一个较小的仰角的方式飞行的。为此，当在有攻角圆锥体30上设置三维粗糙元10来实现延迟转捩时，该三维粗糙元10设置在有攻角圆锥体30的背风区表面，也即是说，本实施例中所指的壁面11可以是有攻角圆锥体30的背风区表面。

在此基础上，该三维粗糙元10的外表面在三维直角坐标系中满足外形公式

；

且。

需要说明的是，为了便于表示该三维粗糙元10的外表面形状结构特性，本实施例中建立了两个直角坐标系。

如图2所示，首先，以有攻角圆锥体30的顶点中心为原点O，以有攻角圆锥体30的中心对称轴为X轴，以垂直于X轴且指向有攻角圆锥体30的背风区一侧的方向为Y轴，垂直于X轴、Y轴的方向为Z轴建立的三维直角坐标系。由此，在该三维直角坐标系中，三维粗糙元30的表面上任意一个位置点的坐标值即可以表示。

并且，以有攻角圆锥体30的中心对称轴上的一点为原点O’，以与有攻角圆锥体30上经过三维粗糙元10的底部对称中心点C0的圆锥体母线平行的方向为X’轴，以垂直于X’轴且指向有攻角圆锥体30的背风区一侧的方向为Y’轴，以平行于Z轴的方向为Z’轴建立的辅助三维直角坐标系。参照图2，该三维直角坐标系的X轴、Y轴和辅助三维直角坐标系的X’轴、Y’轴为于同一平面内，且Z轴和Z’轴相互平行。且在辅助三维直角坐标系中三维粗糙元10的表面上任意一个位置点的坐标值即可以表示。

基于上述三维直角坐标系和辅助三维直角坐标系，以表示有攻角圆锥体30的半圆锥角；显然，该/>等于X轴和X’轴之间的夹角，且等于Y轴和Y’轴之间的夹角。此外本实施例中的三维粗糙元10为一个中心对称三维立体结构，且该三维粗糙元10的中心对称轴应当和Y’轴平行。

如图7所示，图7中实线曲线为三维粗糙元10在辅助直角坐标系的X’Y’平面内轮廓线；虚线曲线所示的轮廓线为实线曲线所表示的轮廓线旋转角度所形成的。如上所述，X’Y’平面和XY平面是在同一平面内的，且X轴和X’轴之间以及Y轴和Y’轴之间的夹角均为/>；由此，三维粗糙元10在直角坐标系的XY平面内的轮廓线（即图7中实线曲线）相对于X轴和Y轴之间的相对位置关系，可以相当于将图7中虚线曲线所示的轮廓线与X’轴和Y’轴的相对位置关系。

为了确定三维直角坐标系和辅助三维直角坐标系之间的转换关系，在有攻角圆锥体30的表面取一参照点，以R点表示，该参照点R在辅助三维直角坐标系中沿X’轴和Y’轴方向上的坐标值分别为。

在三维粗糙元10的表面任意取一位置点A’，则该位置点A’在X’轴和Y’轴上的坐标值分别为，在X轴和Y轴上的坐标值分别为/>；以S表示在X’Y’平面内该位置点A’和R点之间的距离，则有/>。

如前所述，图7中的虚线曲线所示的轮廓线与X’轴和Y’轴的相对位置关系相当于实线曲线所示的轮廓线与X轴和Y轴之间的相对位置关系；也即是说，虚线曲线上的位置点A在X’轴和Y’轴的坐标值，也即等于实线曲线上对应位置点A’在X轴和Y轴中的坐标值；由此，结合图7所示的几何关系，即可获得；其中，/>为参照点R和三维粗糙元10的外轮廓上的位置点之间的连线与X’轴之间的夹角。

参照图2，以为三维粗糙元在X’Y’平面内的顶部直线轮廓线段沿X’轴方向上的宽度，其具体含义和上述三角翼20中的/>的概念类似；/>为三维粗糙元10在X’Y’平面内的外轮廓线上各个位置点在Y’轴方向上的高度值；/>为三维粗糙元10的最高点在Y’轴方向上的最高点的最大高度值，其具体含义以及设置方式和上述三角翼20中的/>的概念类似，在此不再重复赘述。

为了进一步地的说明三维粗糙元10的外轮廓形状特性，以三维粗糙元10在各个平行于Y’Z’平面的截平面上的轮廓线为例进行说明。以C点表示三维粗糙元10的底部中心点，该底部中心点可以视为三维粗糙元10在截平面上的轮廓线的对称轴和有攻角圆锥体30表面的交点。如图5所示，当该截平面为经过三维粗糙元10的中心对称轴时，该C点即与三维粗糙元的底部对称中心点C0重合。因为，C点为有攻角圆锥体30表面的一个点，由此有攻角圆锥体30上存在一个经过C点且所在平面和有攻角圆锥体30的中心对称轴垂直的圆周，该圆周的半径即为C点到有攻角圆锥体30的中心对称轴的距离以r表示，显然r的大小，应当是一个和C点在X’轴上的坐标值相关的变量。

由此，如图6所示，以为三维粗糙元10平行于Y’Z’平面的截平面上的轮廓顶点B和底部中心点C沿Y轴方向上的高度差，轮廓顶点B为在Y’轴上的坐标值为/>；由此即可确定出/>；其中，/>为有攻角圆锥体30上和X’轴平行的圆锥体母线和该X’轴之间的距离，显然这一距离为定值。

如上所述，该三维粗糙元10和有攻角圆锥体30的表面之间应当平滑过度，为此，本实施例中的三维粗糙元10的底部和有攻角圆锥体30的表面之间相切连接，也即是说三维粗糙元10的底部轮廓和有攻角圆锥体30表面之间的交点即切点，以D点表示平行于Y’Z’平面的截平面上三维粗糙元10的轮廓线和有攻角圆锥体30的外表面相切的切点，以B点表示三维粗糙元10的轮廓线在该截平面上的顶点（也即是Y’轴方向的最高点）。为了方便说明，参照图6，图6中以三维粗糙元10平行于Y’Z’平面且经过三维粗糙元10的中心对称轴的截平面为例进行示意说明。并且进一步的以C1点作为该截平面上，经过切点D的切线和Y’轴的交点；以C2点作为该截平面上切点D到Y’轴的投影点。

由此，以图6所示的几何关系可知，为切点D到X’Y’平面的距离。而在平行于Y’Z’平面的截平面上，D点到X’Y’平面的距离，也即是D点到Y’轴的距离。设定；参照图6，/>为三维粗糙元10的底部在X’轴方向上的最大宽度值；参照图7，/>为切点D在X’Y’平面内的投影点和切点D之间的连线与X’轴之间的夹角；例如，在图6所示实施例中的切点D，/>即为D点和C2点之间的连线与X’轴之间的夹角，等于/>；根据图8可知，该三维粗糙元10的底部和有攻角圆锥体30之间的切点轨迹在X’Z’平面内的投影应道为一个圆形。

进一步地，为三维粗糙元10平行于Y’Z’平面的截平面上的轮廓线和有攻角圆锥体30之间的切点D和底部中心点C之间的圆心角；具体地，如图5所示，该/>具体为在D点所在的圆周上，C点与该D点两个点相对于该圆周的圆心的圆心角，该圆周为有攻角圆锥体30表面经过D点且所在表面垂直于有攻角圆锥体30的中心对称轴的圆周。显然，该/>等于D点到有攻角圆锥体30的中心对称轴上的投影点和D点之间的连线与X’Y’平面之间的夹角。

由此基于图6所示的几何关系可知：

；

由此即可确定出。

可以理解的是，、/>均为基于几何关系进行数学运算而设定的中间运算参数。

基于上述论述，即可确定对于有攻角圆锥体30上和有攻角圆锥体30的表面平滑过度的三维粗糙元10。

可以理解的是，以上实施例中仅仅是以三维粗糙元10应用于有攻角锥体和三角翼两种不同飞行结构表面为例进行说明，可以理解的是本申请中的三维粗糙元10，可以是设置在有攻角锥体、椭圆锥体、三角翼在内的中任意模型壁面上，实现延迟转捩的控制。

当然，在实际应用中，除了三维粗糙元10的外形结构的要求之外，对于三维粗糙元的具体设置位置也至关重要。

为了方便说明下面从涡流调控器（三维粗糙元10）流向位置和展向位置两个不同方向进行说明。

1）流向位置

所谓流向位置可以视为来流方向的位置；三维粗糙元10分布位置由流场性质决定，不同来流条件位置选择可能不一样，但是选取原则基本一致，即三维粗糙元10位于高超声速流体的内卷涡和外卷涡相互作用区间内。三维粗糙元10向分布应当选取在内卷涡和外卷涡能相互影响的范围内，以6°的有攻角圆锥体为例，该内卷涡和外卷涡相互作用区间在200 mm之前，因此三维粗糙元10布置范围应该<200 mm；优选100m~140 mm。

2）展向位置

展向位置是指垂直于来流方向的方向，具体可以参考上述图1和图4中所示的Z轴方向。在流向涡中引入三维粗糙元10，本质是通过三维粗糙元引入条带来影响流向涡中的内卷涡和外卷涡。三维粗糙元10引入的外卷涡能增强内卷涡，抑制原有的外卷涡；以有攻角圆锥体为例，三维粗糙元10分布在流向涡对称中心线附近，且在内卷涡的内侧。

为了进一步地说明本实施例中的三维粗糙元10对流向涡的转捩控制，以有攻角圆锥体30的背风区流向涡的转捩控制为例，在背风区中心线=60mm处引入三维粗糙元10，位于流向涡结构内部的三维粗糙元10，能诱导产生新的条带结构。同时，新条带能有效增强流向涡结构中内卷涡的强度，抑制外卷涡的强度，进而影响流向涡中边界层的稳定性。采用基于全局稳定性理论的eN方法可以确定，当三维粗糙元10的高度和高超声速流体边界层的厚度比值为0.153时，相比光滑壁面，转捩位置有效延后3%；当三维粗糙元10的高度和高超声速流体边界层的厚度的比值维0.267时，转捩位置能有效延迟11%。特别地，对于有攻角圆锥体30流向涡的控制，应当存在一个最佳的三维粗糙元10高度，能最大程度的抑制流向涡转捩，高于该临界值，将促进流向涡转捩。

而且，在实际应用中，每个模型壁面上可以同时沿垂直于气流来流方向设置有多个三维粗糙元10，从而实现模型壁面上不同位置的流向涡延迟转捩的控制。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、 “包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。另外，本申请实施例提供的上述技术方案中与现有技术中对应技术方案实现原理一致的部分并未详细说明，以免过多赘述。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种流向涡调制装置，其特征在于，应用于表面具有高超声速流体边界层的壁面，所述流向涡调制装置包括：

设置在所述壁面上且凸出于所述壁面的三维粗糙元，用于延迟所述高超声速流体边界层的流向涡转捩；

设置在所述壁面上且位于所述三维粗糙元背离来流方向一侧的控温组件，用于对所述壁面进行加热或降温。

2.如权利要求1所述的流向涡调制装置，其特征在于，所述控温组件沿所述来流方向延伸设置，且所述控温组件在所述壁面上的铺设面积不小于预设面积。

3.如权利要求2所述的流向涡调制装置，其特征在于，所述控温组件在所述壁面上沿所述来流方向延伸设置有多组，且每组所述控温组件之间相互独立进行加热或降温。

4.如权利要求1所述的流向涡调制装置，其特征在于，所述控温组件在所述壁面上的铺设位置对应于经过所述三维粗糙元后的流向涡的内模态失稳范围区域。

5.如权利要求1至4任一项所述的流向涡调制装置，其特征在于，在气流来流方向上所述三维粗糙元位于高超声速流体的内卷涡和外卷涡相互作用区间内；在垂直于气流来流方向上所述三维粗糙元的中心位置点和流向涡对称中心线之间的距离不大于预设距离；

所述三维粗糙元的外表面与所述壁面平滑过渡；

所述三维粗糙元的高度与所述高超声速流体边界层的厚度之间的比值范围为0.3~0.6。

6.如权利要求5所述的流向涡调制装置，其特征在于，当所述壁面为三角翼的表面，所述三维粗糙元的外表面在三维直角坐标系中满足外形公式；其中，所述三维直角坐标系为以所述壁面的迎风顶点为原点，以所述壁面的表面上沿气流来流方向为X轴，以垂直于所述壁面的表面方向为Y轴，以所述壁面上垂直于所述X轴方向为Z轴建立的直角坐标系；x为所述三维粗糙元的表面上的位置点在X轴上的坐标值；/>为所述三维粗糙元在XY平面内的外轮廓线上各个位置点的高度值；y为所述三维粗糙元的外表面上的位置点在Y轴上的坐标值；/>为所述三维粗糙元的最高点在Y轴方向上的最高点的最大高度值；/>为所述三维粗糙元的底部对称中心点在X轴方向的坐标值；L为所述三维粗糙元在XY平面内的顶部直线轮廓线段沿X轴方向上的宽度；/>为所述三维粗糙元在Z轴方向的一半宽度值。

7.如权利要求5所述的流向涡调制装置，其特征在于，所述壁面为有攻角圆锥体的背风区表面；所述三维粗糙元的外表面在三维直角坐标系中满足外形公式；且/>；

其中，所述三维直角坐标系为以所述有攻角圆锥体的顶点中心为原点，以所述有攻角圆锥体的中心对称轴为X轴，以垂直于所述X轴且指向所述有攻角圆锥体的背风区一侧的方向为Y轴，垂直于X轴、Y轴的方向为Z轴建立的直角坐标系；为所述三维粗糙元的表面上的位置点在X轴上的坐标值；/>为所述三维粗糙元的外表面上的位置点在Y轴上的坐标值；；/>、/>分别为所述三维粗糙元上的点在辅助三维直角坐标系中沿X’轴、Y’轴、Z’轴方向上的坐标值；

所述辅助三维直角坐标系为以所述有攻角圆锥体的中心对称轴上的一点为原点，以与所述有攻角圆锥体上经过所述三维粗糙元的底部对称中心点的圆锥体母线平行的方向为X’轴，以垂直于所述X’轴且指向所述有攻角圆锥体的背风区一侧的方向为Y’轴，以平行于Z轴的方向为Z’轴建立的直角坐标系；Y轴、X轴、X’轴、Y’轴位于同一平面内；

且，为所述三维粗糙元在X’Y’平面内的外轮廓线上各个位置点在Y’轴方向上的高度值；/>分别为所述有攻角圆锥体上的参照点在所述辅助三维直角坐标系中沿X’轴和Y’轴方向上的坐标值；/>为所述有攻角圆锥体的半圆锥角；/>为所述参照点和所述三维粗糙元的外轮廓上的位置点之间的连线与所述X’轴之间的夹角；/>为所述三维粗糙元的底部对称中心点在X’轴方向的坐标值；/>为所述三维粗糙元的最高点在Y’轴方向上的最高点的最大高度值；/>为所述三维粗糙元的底部在X’轴方向上的最大宽度值；/>为所述三维粗糙元在所述X’Y’平面内的顶部直线轮廓线段沿X’轴方向上的宽度；/>为所述三维粗糙元平行于Y’Z’平面的截平面上的轮廓线和所述有攻角圆锥体之间的切点和底部中心点之间的圆心角；/>为所述切点到所述X’Y’平面的距离；/>为所述切点在X’Y’平面内的投影点和所述切点之间的连线与所述X’轴之间的夹角；/>为所述三维粗糙元平行于Y’Z’平面的截平面上的轮廓顶点和底部中心点沿Y轴方向上的高度差；/>为所述三维粗糙元平行于Y’Z’平面的截平面上的轮廓顶点在Y轴上的坐标值；/>为所述切点到所述有攻角圆锥体的中心对称轴之间的距离；/>、/>均为中间运算参量。

8.如权利要求7所述的流向涡调制装置，其特征在于，在气流来流方向上所述三维粗糙元位于距离所述有攻角圆锥体的顶端距离为100mm~140mm。

9.如权利要求5所述的流向涡调制装置，其特征在于，所述壁面上沿垂直于气流来流方向设置有多个所述三维粗糙元。