CN117818871B - 被动式混合层流短舱应用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种被动式混合层流短舱应用方法，涉及大型飞机层流短舱应用领域，飞机在飞行过程中，基于吸气壁板外部压力高、内部压力低产生的压差，促使吸气壁板附近空气进入舱体内部的吸气管道内；吸气管道将从吸气壁板进入的空气输运至舱体后端；随着内部管道中气体的累积，当其压力逐渐大于舱体后端排气孔的压力时，吸气管道内的空气经排气孔排出短舱外。本发明提供一种被动式混合层流短舱应用方法，本方案设计的装置无需压气机、泵等装置，其进气方式只需要依靠内外自然压差实现。这使得其在取得相同效果的同时，大大简化了整个系统的重量。

Description

被动式混合层流短舱应用方法

技术领域

本发明涉及大型飞机层流短舱应用领域。更具体地说，本发明涉及一种被动式混合层流短舱应用方法。

背景技术

层流减阻是指通过主/被动流动控制技术，在机体表面维持大面积层流区域，实现气动减阻。层流控制技术分为自然层流控制（Nature Laminar Flow, NLF）、全层流控制（Laminar Flow Control, LFC），以及混合层流控制（Hybird Laminar Flow Control,HLFC）三种。其中，混合层流控制（HLFC）是通过在机翼前缘附近吸气，实现边界层流动状态、转捩位置和层流区域有效控制，达到扩大适用范围、增强环境适应性的目的，是最具有工程应用前景的减阻技术之一。

层流减阻技术可以应用于机翼、短舱、平尾等部件，显著降低飞机的阻力。机翼和机身等部件由于自身特征尺度较大，对应的雷诺数较高，一般具有较大的后掠角，存在横流转捩等复杂流动现象，实现层流化的难度较大，而短舱、平尾等部件特征尺寸较小，流动相对简单，具有较大的层流化潜力。随着大涵道比涡扇发动机技术的快速发展，其几何尺寸的增大导致了发动机短舱阻力在全机阻力中所占的比例迅速增加。短舱表面摩擦阻力是短舱的主要阻力来源之一。由RADESPIELR，HORSTMANN KH，REDEKER G.Feasibility study onthe design of a laminar flow nacelle[J]. Journal of Aircraft, 2015,10(11):959-965.记载可知，Radespiel等人的研究表明，大型飞机巡航条件下，发动机短舱表面摩擦阻力贡献约80%的短舱阻力，占全机阻力的3%左右。因此，在短舱外表面实现一定长度的层流，有利于减小飞机的表面摩擦阻力、提高飞机的经济性。

自然层流短舱通过外型面的优化设计就可以实现较大范围的层流区域，但是其适用的雷诺数范围偏低，雷诺数增大后层流范围迅速缩小。主动式混合层流控制通过前缘抽吸可以实现高雷诺数范围下获得较大层流范围的布局，对比文件US20200102084即使用这种方法，其通过添加吸气装置（泵）来实现进气，研究结果表明，该方法所添加的吸气装置其产生的阻力占总阻力的80％，且吸气系统本身的质量也很大，使得增大层流区域所带来的收益与燃油量增加所带来的支出抵消。对比文件US4993663A则采用的是混合层流控制，其只在短舱前缘布置吸气装置，大大减小了吸气装置的重量，同时其通过对短舱进行气动外形设计保持短舱的自然层流控制。使得其在极大的提高了短舱表面的层流区域范围的同时，大大减小了吸气装置的质量，但其泵阻力仍占总阻力的10％。

进一步地，目前针对被动式混合层流控制的研究集中在机翼及垂尾，波音公司针对波音787的机翼的被动式混合层流控制系统展开过研究，而国内目前针对被动式混合层流控制的研究从公开文献来看还没有相关记录，基于此，本专利主要基于对短舱的被动式混合层流控制进行研究展开。

发明内容

本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。

为了实现本发明的这些目的和其它优点，提供了一种被动式混合层流短舱应用方法，包括：

飞机在飞行过程中，基于吸气壁板外部压力高、内部压力低产生的压差，促使吸气壁板附近空气进入舱体内部的吸气管道内；

吸气管道将从吸气壁板进入的空气输运至舱体后端；

随着内部管道中气体的累积，当其压力逐渐大于舱体后端排气孔的压力时，吸气管道内的空气经排气孔排出短舱外。

优选的是，还包括与被动式混合层流短舱应用方法相配合的短舱，所述短舱包括：

舱体；

设置在舱体前端，以将流向短舱的外界空气吸进短舱内的吸气壁板；

其中，所述舱体内部设置有多个与吸气壁板相配合的吸气管道；

所述舱体后端的外侧壁上设置有多个将吸气管道与外界连通的排气口。

优选的是，所述舱体外部型面采用自由层流化设计，以使从壁面前缘开始保持尽可能大的顺压梯度区域，进而推迟转捩发生。

优选的是，所述吸气壁板的前缘唇形结构为U型；

其中，所述吸气壁板的前端设置有多层与其前缘唇形相匹配的进气孔组；

吸气壁板的后缘设置有多个与吸气管道的入口端连通的连接口。

本发明至少包括以下有益效果：本发明的吸气壁板能将其表面部分的空气吸进内部，使得短舱外部表面部分的空气大大减少，即有很少的空气与边界层进行相互作用（由于空气与边界层相互作用才会导致湍流的产生），以此来达到维持大面积层流区域的效果。

进一步地，因当前混合层流短舱的控制均为主动式（即前端吸气装置需要压气机进行吸气），而本方案设计的装置无需压气机、泵等装置，其进气方式只需要依靠内外自然压差实现。这使得其在取得相同效果的同时，大大简化了整个系统的重量。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为本发明被动式混合层流短舱的结构示意图；

图2为本发明吸气壁板与内部部件配合的剖示图；

图3为本发明舱体的的剖面透视示意图；

图4为短舱母线截面外翼面压力分布图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

本发明公开的被动式混合层流短舱应用方法所使用的一种短舱，主要包括舱体、短舱前端吸气壁板、与吸气壁板相连通的吸气管道、短舱后端排气孔。主要目的是通过将短舱舱体的前端安放一个吸气壁板，在短舱内部安装吸气管道，并在短舱后部设置排气孔，实现短舱的大面积层流。

在实地的应用中，短舱前端的吸气壁板将短舱最前端近边界层处的空气吸进短舱内部，使得近短舱边界层处的空气极少。具体来说，吸气壁板定位在前缘并沿后部方向延伸。前缘唇形结构为U型，其与吸气管道的配合方式可以描述为飞机飞行过程中，吸气壁板内部及外部空气会产生压差，外部压力高、内部压力低，促使吸气壁板附近空气进入内部吸气管道内，而内部管道中随着气体的累积，其压力逐渐大于短舱后端排气孔的压力，因此内部管道中的气体沿后端排气孔排出。

进一步的，短舱前端吸气壁板将短舱最前端近边界层处的空气通过自然的表面压力差吸入吸气管道内；吸气管道将从吸气壁板进入的空气输运至后端；短舱后端的排气孔将吸气管道内的空气排出短舱外。

实施例：

如图1-图3所示，被动式混合层流短舱其主要由经过气动外形设计的短舱舱体1、金属吸气壁板2、吸气管道3、排气口4组成。因为吸气壁板的前缘唇形结构为U型，故内部具有可容纳气体的空间；又因吸气壁板的前端设置有多层与其前缘唇形相匹配的进气孔组20（其层数大于或等于吸气管道的数量，图3中箭头所示方向为各层进气孔组的进气方向，需要说明的是，图3中所示各层进气孔组的数量只是一种实施方式的表示形式，在实际的应用中，各层进气孔组中各进气孔的数量根据需要可沿前缘唇形所在位置进行增加，并按其数量分布在前缘唇形上，以满足具体应用场景的需要）；而吸气壁板的后缘设置有多个与吸气管道的入口端连通的连接口21。故当外界空气流动流向短舱时，首先会被吸气壁板2上的进气口吸进短舱，此时短舱前端外壁紧贴边界层处由于几乎没有空气流过其摩擦损失极小，实现了前端大面积的层流。进入短舱内部的空气经吸气管道3流向排气口4，空气经排气口4流出短舱外部。短舱舱体1外形采用自由层流化设计，通过对型面的设计，使得从壁面前缘开始保持尽可能大的顺压梯度区域，从而推迟转捩发生。

如图4所示，A为低静压区，B为高静压区，C为短舱母线截面外翼面压力分布，D为调整之后的短舱母线外翼面压力，E为横截面呈弧形结构的吸气壁板，B位置所示的6个箭头表示高静压区的气流从吸气壁板上的进气孔向短舱内流入的方向示意，F表示吸气管道，A位置上沿吸气管道标示的箭头表示从吸气壁板流入的气体，在经过吸气管道向低静压区排放的方向示意；纵坐标A-A表示横截面，横坐标X/C表示沿弦长的比例（X为变量，C为弦长），由图4中可以看出，相对于未经改进的短舱相比能够维持较大范围的静压差区域ΔCp，本方案大大推迟了转捩的发生。

以上方案只是一种较佳实例的说明，但并不局限于此。在实施本发明时，可以根据使用者需求进行适当的替换和/或修改。

这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本发明的说明的。对本发明的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。

目前针对被动式混合层流控制的研究集中在机翼及垂尾，波音公司针对波音787的机翼的被动式混合层流控制系统展开过研究，而国内目前针对被动式混合层流控制的研究从公开文献来看还没有相关记录，基于此，本专利创新性的对短舱的被动式混合层流控制。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (2)

1.一种被动式混合层流短舱应用方法，其特征在于，飞机在飞行过程中，基于吸气壁板外部压力高、内部压力低产生的压差，促使吸气壁板附近空气进入舱体内部的吸气管道内；

吸气管道将从吸气壁板进入的空气输运至舱体后端；

随着内部管道中气体的累积，当其压力逐渐大于舱体后端排气孔的压力时，吸气管道内的空气经排气孔排出短舱外；

还包括与被动式混合层流短舱应用方法相配合的短舱，所述短舱包括：

舱体；

设置在舱体前端，以将流向短舱的外界空气吸进短舱内的吸气壁板；

其中，所述舱体内部设置有多个与吸气壁板相配合的吸气管道；

所述舱体后端的外侧壁上设置有多个将吸气管道与外界连通的排气口；

所述舱体外部型面采用自由层流化设计，以使从壁面前缘开始保持尽可能大的顺压梯度区域，进而推迟转捩发生。

2.如权利要求1所述的被动式混合层流短舱应用方法，其特征在于，所述吸气壁板的前缘唇形结构为U型；

其中，所述吸气壁板的前端设置有多层与其前缘唇形相匹配的进气孔组；

吸气壁板的后缘设置有多个与吸气管道的入口端连通的连接口。