CN117871014A - 一种抑制Görtler涡二次失稳的方法、装置及存储介质 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种抑制Görtler涡二次失稳的方法、装置及存储介质，其中，所述方法包括，将曲面实验模型放置在流体中，流体经过所述曲面实验模型后，在所述曲面实验模型上会形成Görtler涡，所述曲面实验模型上的Görtler涡出现二次失稳时，在模型前半部分局部吹气，能够实现抑制高超声速曲面边界层Görtler涡及其二次失稳模态的增长，进而达到推迟高超声速曲面边界层转捩的目的。
Description
技术领域
本发明涉及流体力学领域，尤其涉及一种使用局部吹气抑制Görtler涡二次失稳的方法、装置及存储介质。
背景技术
高德勒涡旋（Görtler vortices）为流体力学名词，是指当边界层流经过弯曲管壁时出现的二次流，Görtler不稳定性是由于离心力和法向压力梯度不平衡引起的，形成对卷流向涡，经常出现在喷管和进气道压缩面曲面边界层中，引起层流边界层向湍流边界层的转变。
高超声速流动，对于平板和圆锥边界层，一般使用壁面加热、冷却或者多孔壁面控制高超声速边界层转捩过程，但是加热和冷却这些手段需要额外地增加设备，消耗能源，增加控制成本，并且这两种手段对转捩控制的效果不是十分理想，很难具有普适性。而多孔壁面主要通过抑制第二模态声扰动的方式实现对高超声速边界层转捩的控制，由于Görtler涡属于涡扰动，并且Görtler涡的二次失稳模态的扰动主要集中在靠近边界层外缘的部分，而多孔壁面对声扰动以及靠近壁面附近的扰动的控制效果比较好，所以多孔壁面很难实现对高超声速曲面边界层Görtler涡以及二次失稳过程的控制。
目前，针对高超声速边界层中Görtler涡及其二次失稳过程控制的研究相对较少，亟需开发有效的控制高超声速曲面边界层Görtler涡以及二次失稳过程的方法，进而控制高超声速曲面边界层转捩过程，尽可能维持喷管表面为层流状态，降低风洞来流噪声。
发明内容
本发明提出了一种抑制Görtler涡二次失稳的方法，包括：将曲面实验模型放置在主流流体中，所述主流流体经过所述曲面实验模型后，在曲面实验模型上形成Görtler涡，通过在所述曲面实验模型的前半部分局部吹气，吹气强度沿展向和流向分布均匀，实现抑制高超声速曲面边界层Görtler涡及其二次失稳模态的增长。
进一步地，在距离所述曲面实验模型前缘80mm-110mm的位置处布置局部吹气段，局部吹气段的长度为20mm-80mm。
进一步地，在距离所述曲面实验模型前缘90mm的位置处布置局部吹气段，局部吹气段的长度为40 mm。
进一步地，吹气强度的范围介于0.004倍到0.01倍主流流体速度时，随着吹气强度的增加，Görtler条带变得更加稳定，吹气对于Görtler涡的抑制效果越好。
进一步地，吹气强度为0.004倍或0.008倍主流流体速度。
本发明还提出了一种抑制Görtler涡二次失稳的装置，包括：用于形成Görtler涡的曲面实验模型，所述曲面实验模型的前半部分布置有吹气段。所述吹气段在模型前半部分局部吹气，能够实现抑制高超声速曲面边界层Görtler涡及其二次失稳模态的增长，进而达到推迟高超声速曲面边界层转捩的目的。
进一步地，在距离所述曲面实验模型前缘80mm-110mm的位置处布置局部吹气段，局部吹气段的长度为20mm-80mm。
进一步地，在距离所述曲面实验模型前缘90mm的位置处布置局部吹气段，局部吹气段的长度为40 mm。
进一步地，所述吹气段的吹气强度的范围介于0.004倍到0.01倍主流流体速度时，随着吹气强度的增加，Görtler条带变得更加稳定，吹气对于Görtler涡的抑制效果越好。
进一步地，所述吹气段的吹气强度为0.004倍或0.008倍主流流体速度。
本发明还提供了一种存储介质，所述存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序在计算机上运行时，使得所述计算机执行上述方法。
综上所述，本发明具有以下有益效果：
本发明针对高超声速曲面边界层Görtler涡的流动特点，提出了在模型前半部分使用局部吹气的技术方案，实现抑制高超声速曲面边界层Görtler涡及其二次失稳模态的增长，进而达到推迟高超声速曲面边界层转捩的目的。
附图说明
为了更清楚地说明本发明中的技术方案，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地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的实施例。
图1为吹气模型示意图。
图2为光滑表面和不同吹气强度表面边界层俯视图。
图3不同吹气强度工况下展向平均的摩擦系数沿流向的变化。
图4不同吹气强度工况下Görtler涡二次失稳模态放大因子（N值）沿流向变化。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
实施例一
本实施例提供了一种抑制Görtler涡二次失稳的方法，该方法包括，将曲面实验模型放置在流体中，主流流体经过所述曲面实验模型后，在所述曲面实验模型上会形成Görtler涡，所述曲面实验模型上的Görtler涡出现二次失稳时，在模型前半部分局部吹气，能够实现抑制高超声速曲面边界层Görtler涡及其二次失稳模态的增长，进而达到推迟高超声速曲面边界层转捩的目的。
基于同样的发明构思，本发明进一步提供了一种存储介质，所述存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序在计算机上运行时，使得所述计算机执行本实例提供的一种抑制Görtler涡二次失稳的方法。
实施例二
本实施例对吹气位置的参数设计进行了进一步的限定，具体如下：
在本实施例中，提供了一种抑制Görtler涡二次失稳的方法，如图1所示，所述方法包括，将曲面实验模型放置在流体中，其中，曲面实验模型的平板段长度为80mm,曲面段的投影长度为295mm,曲面段的曲率半径R为1600mm，主流流体的流动方向平行于平板段，吹气位置布置在所述曲面实验模型的前半部分，具体为：在距离所述曲面实验模型前缘80mm-110mm的位置处布置局部吹气段，局部吹气段的长度为20mm-80mm，通过在模型前半部分布置局部吹气段，能够实现抑制高超声速曲面边界层Görtler涡及其二次失稳模态的增长，进而达到推迟高超声速曲面边界层转捩的目的。
本实施例进一步包括图1所示的技术方案，在距离所述曲面实验模型前缘90mm的位置处布置局部吹气段，局部吹气段的长度为40 mm，吹气强度沿展向和流向分布均匀。
基于同样的发明构思，本发明进一步提供了一种存储介质，所述存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序在计算机上运行时，使得所述计算机执行本实例提供的一种抑制Görtler涡二次失稳的方法。
实施例三
本实施例对吹气强度的参数设计进行了进一步的限定，具体如下：
在本实施例中，提供了一种抑制Görtler涡二次失稳的方法，所述方法包括，布置于主流流体中的曲面实验模型，流体经过所述曲面实验模型后，在所述曲面实验模型上会形成Görtler涡，所述曲面实验模型上的Görtler涡出现二次失稳时，在模型前半部分局部吹气，能够实现抑制高超声速曲面边界层Görtler涡及其二次失稳模态的增长，通过改变吹气强度，能够实现抑制效果的调整和增强。
如图2所示，图2中x为模型的流向位置，z为模型的展向位置；图2中（a）为光滑模型，没有吹气时的表面边界层俯视图；图2中（b）为吹气强度为0.004倍主流流体速度时的表面边界层俯视图；图2中（c）为吹气强度为0.008倍主流流体速度时的表面边界层俯视图。由图2中（a）-（c）可知，相比于光滑模型，局部吹气模型边界层Görtler条带开始发生摆动的位置向下游移动，并且随着吹气强度的增加，Görtler条带变得更加稳定，当吹气强度为0.008倍的主流流体速度时，Görtler条带在模型的尾端没有发生破碎现象。
进一步地，当吹气强度的范围介于0.004倍到0.01倍主流流体速度时，随着吹气强度的增加，Görtler条带变得更加稳定，吹气对于Görtler涡的抑制效果越好。
如图3所示，图3中的实验模型分别为光滑模型、完全湍流模型、吹气强度为0.004倍主流流体速度的局部吹气模型以及吹气强度为0.008倍主流流体速度的局部吹气模型；横坐标为实验模型的流向位置x（mm），纵坐标为不同位置下的摩擦系数，摩擦系数的范围在0到6×10-3之间，随着流向位置的变化而变化。由图3可知，局部吹气模型表面摩擦系数在吹气开始的位置急剧下降，然后开始缓慢增长，开始偏离层流状态对应值的位置向下游大幅度移动，并且局部吹气模型对应的摩擦系数达到最大值对应的位置也向下游移动。因此，局部吹气可以控制Görtler涡增长及其二次失稳过程，进而推迟高超声速曲面边界层的转捩过程，并且，在一定范围内，局部吹气强度越大，其控制效果越明显。
如图4所示，不同吹气强度工况下Görtler涡二次失稳模态放大因子（N值）沿流向变化。Görtler涡增长到一定阈值后进入二次失稳阶段，二次失稳模态增长率沿流向积分被称之为放大因子（N值）。N值越大，二次失稳模态越不稳定，Görtler条带越容易破碎产生湍流。相比于光滑模型，局部吹气模型表面N值较小，并且斜率也较小，所以局部吹气模型表面Görtler涡二次失稳模态更加稳定。局部吹气对Görtler涡二次失稳过程具有稳定作用，进而推迟边界层转捩过程。
基于同样的发明构思，本发明进一步提供了一种存储介质，所述存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序在计算机上运行时，使得所述计算机执行本实例提供的一种抑制Görtler涡二次失稳的方法。
实施例四
本实施例提供了一种抑制Görtler涡二次失稳的装置，所述装置包括：用于形成Görtler涡的曲面实验模型，所述曲面实验模型的前半部分布置有吹气段。所述曲面实验模型上会形成Görtler涡，所述曲面实验模型上的Görtler涡出现二次失稳时，由于在所述曲面实验模型的前半部分布置了吹气段，能够实现抑制高超声速曲面边界层Görtler涡及其二次失稳模态的增长，进而达到推迟高超声速曲面边界层转捩的目的。
实施例五
本实施例对吹气位置的参数设计进行了进一步的限定，具体如下：
在本实施例中，提供了一种抑制Görtler涡二次失稳的装置，如图1所示，所述装置包括，布置于主流流体中的曲面实验模型，其中，所述曲面实验模型的平板段长度为80mm,曲面段的投影长度为295mm,曲面段的曲率半径R为1600mm，主流流体的流动方向平行于平板段，吹气位置布置在所述曲面实验模型的前半部分，具体为：在距离所述曲面实验模型前缘80mm-110mm的位置处布置局部吹气段，局部吹气段的长度为20mm-80mm，通过在模型前半部分布置局部吹气段，能够实现抑制高超声速曲面边界层Görtler涡及其二次失稳模态的增长，进而达到推迟高超声速曲面边界层转捩的目的。
本实施例进一步包括图1所示的技术方案，在距离所述曲面实验模型前缘90mm的位置处布置局部吹气段，局部吹气段的长度为40 mm，吹气强度沿展向和流向分布均匀。
实施例六
本实施例对吹气强度的参数设计进行了进一步的限定，具体如下：
在本实施例中，提供了一种抑制Görtler涡二次失稳的装置，所述装置包括，布置于主流流体中的曲面实验模型，流体经过所述曲面实验模型后，在所述曲面实验模型上会形成Görtler涡，所述曲面实验模型上的Görtler涡出现二次失稳时，在模型前半部分局部吹气，能够实现抑制高超声速曲面边界层Görtler涡及其二次失稳模态的增长，通过改变吹气强度，能够实现抑制效果的调整和增强。
进一步地，当吹气强度的范围介于0.004倍到0.01倍主流流体速度时，随着吹气强度的增加，Görtler条带变得更加稳定，吹气对于Görtler涡的抑制效果越好。
实施例七
本实施例将局部吹气实现抑制高超声速边界层中Görtler涡及其二次失稳过程，至少应用于以下两方面：
1. 对于喷管设计，为了降低风洞来流噪声，需要通过设计型线或者采用其他方式抑制Görtler涡增长，进而推迟边界层转捩过程，尽可能维持喷管表面边界层为层流状态。将本发明应用于喷管设计中，通过局部吹气尽可能维持喷管壁面处于层流状态，从而降低风洞来流噪声；
2. 将本发明应用于高超声速飞行器外形设计中，对于凹面合理使用局部吹气尽可能使得边界层处于层流状态，减小气动阻力和气动热。
应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，上述实施例中的技术特征可以进行自由组合，所形成的技术方案也属于本发明所公开的实施例。
进一步地，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 (11)
1.一种抑制Görtler涡二次失稳的方法，其特征在于，包括：将曲面实验模型放置在主流流体中，所述主流流体经过所述曲面实验模型后，在曲面实验模型上形成Görtler涡，通过在所述曲面实验模型的前半部分局部吹气，吹气强度沿展向和流向分布均匀，实现抑制高超声速曲面边界层Görtler涡及其二次失稳模态的增长。
2. 根据权利要求1所述的一种抑制Görtler涡二次失稳的方法，其特征在于： 在距离所述曲面实验模型前缘80mm-110mm的位置处布置局部吹气段，局部吹气段的长度为20mm-80mm。
3. 根据权利要求1所述的一种抑制Görtler涡二次失稳的方法，其特征在于：在距离所述曲面实验模型前缘90mm的位置处布置局部吹气段，局部吹气段的长度为40 mm。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的一种抑制Görtler涡二次失稳的方法，其特征在于：吹气强度的范围介于0.004倍到0.01倍主流流体速度时，随着吹气强度的增加，Görtler条带变得更加稳定，吹气对于Görtler涡的抑制效果越好。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的一种抑制Görtler涡二次失稳的方法，其特征在于：吹气强度为0.004倍或0.008倍主流流体速度。
6.一种抑制Görtler涡二次失稳的装置，其特征在于，包括：用于形成Görtler涡的曲面实验模型，所述曲面实验模型的前半部分布置有吹气段。
7.根据权利要求6所述的一种抑制Görtler涡二次失稳的装置，其特征在于：在距离所述曲面实验模型前缘80mm-110mm的位置处布置局部吹气段，局部吹气段的长度为20mm-80mm。
8. 根据权利要求6所述的一种抑制Görtler涡二次失稳的装置，其特征在于：在距离所述曲面实验模型前缘90mm的位置处布置局部吹气段，局部吹气段的长度为40 mm。
9.根据权利要求6-8中任一项所述的一种抑制Görtler涡二次失稳的装置，其特征在于：所述吹气段的吹气强度的范围介于0.004倍到0.01倍主流流体速度时，随着吹气强度的增加，Görtler条带变得更加稳定，吹气对于Görtler涡的抑制效果越好。
10.根据权利要求6-8中任一项所述的一种抑制Görtler涡二次失稳的装置，其特征在于：所述吹气段的吹气强度为0.004倍或0.008倍主流流体速度。
11.一种存储介质，其特征在于，所述存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序在计算机上运行时，使得所述计算机执行如权利要求1-5任一所述的方法。
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