CN116552777B - 一种涡流调控器以及一种飞行器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种涡流调控器以及一种飞行器，该涡流调控器包括设置于表面具有高超声速流体边界层的壁面，用于高超声速流向涡的转捩延迟控制，涡流调控器包括：设置在壁面上且凸出于壁面的三维粗糙元；其中，在气流来流方向上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；三维粗糙元的外表面与壁面平滑过渡；三维粗糙元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。本申请中的涡流调控器能够有效实现高超声速流体边界层的流向涡的延迟转捩的控制，有助于提升飞行器飞行的稳定性和的有效载荷。

Description

一种涡流调控器以及一种飞行器

技术领域

本发明涉及飞行器技术领域，特别是涉及一种涡流调控器以及一种飞行器。

背景技术

对于飞机或其他快速飞行的飞行器而言，其机翼或其他部件的壁面存在高超声速流体边界层；而转捩的发生会使得湍流边界层的壁面摩擦系数和传热系数急剧增加，是层流边界层的3-5倍。研究表明，全层流与全湍流的热防护系统的重量可相差4倍左右，全层流的总阻力将比全湍流状态降低30%左右，而有效载荷是全湍流的2倍。可见边界层转捩的调控对高超声速的飞行器降热和减阻有非常重要的工程意义。

粗糙元是最为常见的被动式涡流调控器，是抑制边界层转捩最常用的技术之一。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。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。

但对于上述研究均未能应用解决高速飞行的飞行器表面高超声速流体边界层问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种涡流调控器以及一种飞行器，有效实现高超声速流体边界层的流向涡的延迟转捩的控制，有助于该涡流调控期应用于飞行器时，提升飞行器飞行的稳定性，提升飞行器的有效载荷。

为解决上述技术问题，本发明提供一种涡流调控器，设置于表面具有高超声速流体边界层的壁面，用于高超声速流向涡的转捩延迟控制，所述涡流调控器包括：

设置在所述壁面上且凸出于所述壁面的三维粗糙元；

其中，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，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；/>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；/>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；/>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；M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’轴和Y’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，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；L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；/>为所述切点到所述有攻角圆锥体的中心对称轴之间的距离。

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小于200mm。

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，所述壁面为至少包括有攻角锥体、椭圆锥体、三角翼在内的中任意模型的表面。

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。

一种飞行器，所述飞行器的壁面上设置有如上任一项所述的涡流调控器。

本发明所提供的涡流调控器和飞行器，该涡流调控器设置于表面具有高超声速流体边界层的壁面，用于高超声速流向涡的转捩延迟控制，涡流调控器包括：设置在壁面上且凸出于壁面的三维粗糙元；其中，在气流来流方向上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；三维粗糙元的外表面与壁面平滑过渡；三维粗糙元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。

本申请中所提供的涡流调控器，在位于高超声速流体边界层中的壁面上设置凸出于该壁面的三维粗糙元，该三维粗糙元和壁面表面之间平滑过度，避免高超声速流向涡的绝对不稳定性；且在气流来流方向上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，从而使得该三维粗糙元能够能诱导产生新的条带结构，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；在垂直于气流来流方向上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，通过三维粗糙元引入的外卷涡能增强内卷涡，抑制原有的外卷涡；并且三维粗糙元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；从而保证该三维粗糙元可以最大程度的抑制流向涡转捩。由此，本申请中的涡流调控器能够有效实现高超声速流体边界层的流向涡的延迟转捩的控制，有助于该涡流调控器应用于飞行器时，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三角翼上的三维粗糙元的结构示意图；

图2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3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4为本申请实施例提供的有攻角圆锥上的三维粗糙元的结构示意图；

图5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6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7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。

具体实施方式

目前针对高超声速边界层中由于攻角效应或飞行器外形导致迎风区和背风区存在压力梯度差而产生的流向涡结构进行延迟转捩控制的相关研究较少。本申请中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。

由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的技术方案。

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。

参考图1至图7，图1为本申请实施例提供的三角翼上的三维粗糙元的结构示意图；图2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3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4为本申请实施例提供的有攻角圆锥上的三维粗糙元的结构示意图；图5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6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7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。

在本申请的一种具体实施例中，该涡流调控器设置于表面具有高超声速流体边界层的壁面11，用于高超声速流向涡的转捩延迟控制。

可以理解的是，本实施例中的壁面11可以是三角翼20的表面、飞行器的有攻角圆锥体30的表面，或者是飞行器上其他部件的表面，总而言之，该壁面11应当是位于高超声速流体内部的物体表面。

该涡流调控器可以包括：

设置在壁面11上且凸出于壁面11的三维粗糙元10；

其中，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；

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。

参照图1至图4，被动式涡流调控器选取不合适时，可能导致高超声速流向涡的绝对不稳定性，为了避免高超声速流向涡的绝对不稳定性，本实施例中的三维粗糙元10形状应当尽可能与壁面11光滑过渡。

为了进一步地说明该三维粗糙元的外形结构，以该壁面11为三角翼的20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公式：

。

参照图1，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1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1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。

由于流向涡边界层（即高超声速流体边界层）厚度沿着流向增长，而且流向涡边界层厚度较厚。因此当三维粗糙元10的设置位置比较靠近流体下游时，三维粗糙元10要能起到作用，三维粗糙元10的高度（即最大高度值）要增加；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3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4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。

同时，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4，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6所示，图6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30在直角坐标系的XY平面内的轮廓线（即图6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6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/>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6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6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4，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5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，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5，图5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5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5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7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5所示的几何关系可知：

；

由此即可确定出。

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。

综上所述，本申请中在位于高超声速流体边界层中的壁面上设置凸出于壁面的三维粗糙元，该三维粗糙元和壁面表面之间平滑过度，且在气流来流方向上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，从而使得该三维粗糙元能够能诱导产生新的条带结构，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；在垂直于气流来流方向上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，通过三维粗糙元引入的外卷涡能增强内卷涡，抑制原有的外卷涡；并且三维粗糙元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；从而保证该三维粗糙元可以最大程度的抑制流向涡转捩。由此，本申请中的涡流调控器能够有效实现高超声速流体边界层的流向涡的延迟转捩的控制，有助于该涡流调控期应用于飞行器时，提升飞行器飞行的稳定性，提升飞行器的有效载荷。

本申请还提供了一种飞行器，该飞行器的壁面上设置有上任一项所述的涡流调控器。

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 (6)

1.一种涡流调控器，其特征在于，设置于表面具有高超声速流体边界层的壁面，用于高超声速流向涡的转捩延迟控制，所述涡流调控器包括：

设置在所述壁面上且凸出于所述壁面的三维粗糙元；

其中，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；

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；/>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；/>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；M为所述三维粗糙元在Z轴方向的一半宽度值；

当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’轴和Y’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，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；L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；/>为所述切点到所述有攻角圆锥体的中心对称轴之间的距离。

2.如权利要求1所述的涡流调控器，其特征在于，当所述壁面为有攻角圆锥体的背风区表面，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小于200mm。

3.如权利要求2所述的涡流调控器，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。

4.如权利要求1所述的涡流调控器，其特征在于，所述壁面为至少包括有攻角锥体、椭圆锥体、三角翼在内的中任意模型的表面。

5.如权利要求1所述的涡流调控器，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。

6.一种飞行器，其特征在于，所述飞行器的壁面上设置有如权利要求1至5任一项所述的涡流调控器。