控制高马赫数激波与附面层干扰流动分离的装置

摘要

一种在高超声速飞行器技术领域的用于控制激波与附面层干扰流动分离的装置，该装置包括：基部分流楔与尾缘微型涡流发生器，其中：后仰楔形结构的基部分流楔设置于激波与附面层干扰区的前端且距离(具体为尾缘到激波入射点的距离)小于等于3个附面层的厚度，尾缘微型涡流发生器设置于基部分流楔尾缘的上表面。本装置能够在飞流楔的侧缘产生脱落涡结构带走干扰区的低能流体，并且尾缘的强湍流度剪切层起到缓冲带作用，该发明可控制激波/附面层干扰导致的流动分离，实现马赫数在4～10的条件下的分离流动控制，具有结构简单、性能稳定等特点。

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种在高超声速飞行器技术领域中，控制激波与附面层干扰流动分离的 装置，具体是一种分流式、带有复合涡流发生器的控制高马赫数激波与附面层干扰流动分离的 装置。

背景技术

高超声速飞行器是实现军事快速打击、快速反应的战略装备之一，近年来颇受国内外研 究人员的关注。激波与附面层干扰广泛存在于高超声飞行器的内流和外流中，当飞行器在高马 赫数飞行时，强激波与附面层干扰常常导致附面层的大尺度流动分离，伴随产生较强的附加阻 力与总压损失，同时激波后的湍流强度和导热系数剧增，并具有低频振荡特性，诱发的动态气 动力/热载荷可能导致飞行器的结构破坏或热防护系统的实效。由此可见，高马赫数下的激波/ 附面层干扰引发的流动分离现象是高超声速飞行器的安全隐患，是影响飞行器整体及其关键部 件安全性的重要因素，并给飞行器的材料选择、结构装配和热防护设计带来困难和挑战。

涡流发生器是一种延缓或抑制激波/附面层干扰流动分离的被控控制方法，但在高马赫 数下（4<M<10），由于激波强度的增加，传统的涡流发生器难以发挥很好的控制效果，其主要 原因是传统涡流发生器产生的涡扰动难以克服强激波导致的逆压梯度。因此提出一种简单可靠、 易实现的控制高马赫数条件下的激波/附面层干扰流动分离的装置与方法是亟待解决的问题。

经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN201210319468，公开日2013-01-09， 记载了一种用于使流体流过表面期间的流动分离衰减的涡流发生器，所述涡流发生器被构造成 用于邻近表面产生至少两个涡旋。但该技术与本发明相比的缺陷在于：不适用于高超声速流体， 其涡流发生器的结构可产生较强的激波阻力；不能加强涡流发生器后缘的剪切层混合，难以较 好的控制激波与附面层干扰的流动分析现象。

中国专利文献号CN201110322560，公开日2012-05-16，记载了一种包含涡流发生器的 风力涡轮机叶片，所述涡流发生器的构造和布置为对所述叶片的空气动力特性有贡献，所述涡 流发生器包括平台和延伸部，平台固定在所述凹陷中。但在高马赫数条件下，该涡流发生器不 能产生较好的涡扰动，不能起到控制激波流动分离的作用。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种控制高马赫数激波与附面层干扰流动分 离的装置，能够控制高超音速激波/附面层干扰导致的流动分离，实现马赫数在4～10条件下的 分离流动控制，具有结构简单、性能稳定等特点。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：基部分流楔与尾缘微型涡流发生器， 其中：基部分流楔为后仰楔形结构，设置于激波与附面层干扰区的前端，其尾缘与激波入射点 的距离小于等于3个附面层的厚度，尾缘微型涡流发生器设置于基部分流楔尾缘的上表面。

所述的基部分流楔的前、后缘高度H₂、H₁以及宽度D和长度L分别满足的条件为：

0≤H₂≤H₁≤δ；2H₁≤D≤5H₁；4H₁≤L≤10H₁；其中：δ为来流附面层的厚度。

所述的尾缘微型涡流发生器采用一个涡流发生单元或多个涡流发生单元排列构成，其中： 每个涡流发生单元的水平最大高度h和轴向最大长度l满足：0≤h≤0.3H₁；0≤l≤0.5H₁；并可根据 具体尾缘涡流发生器不同结构进行调节。

所述的尾缘涡流发生单元的形状采用但不限于圆柱形、锯齿形、后仰型楔形、前倾型楔 形结构。

所述的尾缘涡流发生单元的排列形式采用中心轴对称的方式，进一步优选为轴向垂直的 单排多个方式、双排对齐方式、双排交错等排列方式。

技术效果

相对于传统的涡流发生器，本发明涉及的分流式、复合涡流发生器的技术效果包括：

1）由于分流效应，在基部分流楔的侧缘形成非稳态涡旋结构，可周期性的与激波/附面 层干扰引发的分离涡发生相互作用，卷走干扰区附近的低能流体，增大激波/附面层干扰区的抗 逆压强度；

2）由于尾缘涡流发生器的作用，来流经过分流楔的尾缘后，形成三维、强混合的湍流 剪切层，湍流剪切层起到很好的“缓解带”作用，用于减弱激波直接入射到壁面上的强逆压梯度， 同时分流楔尾缘形成的膨胀波系，有利于加速湍流剪切层，克服激波前后的动量差。

相对于传统的涡流发生器，本发明具有三种优点：

1）分流式、复合涡流发生器具有较强分流效应，增强了湍流边界层的不均匀度和抗逆 压强度，分流作用的强度可通过基部分流楔的前缘高度进行调节；

2）基部分流楔的侧缘形成的大尺度、周期性振荡的漩涡结构，有利于带走干扰区的低 能流体；

3）通过分流楔与微型涡流发生器的组合，大幅增强了尾缘剪切层的湍流强度，使得抗 干扰强度增强。

附图说明

图1为实施例1中涡流发生器结构示意图。

图2为实施例2中涡流发生器结构示意图。

图3为实施例3中涡流发生器结构示意图。

图4为实施例4中涡流发生器结构示意图。

图5为实施例5中涡流发生器结构示意图。

图6为实施例6中涡流发生器结构示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施， 给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

如图1所示，本实施例装置包括：基部分流楔1与尾缘微型涡流发生器2，其中：后仰 楔形结构的基部分流楔1设置于激波与附面层干扰区的前端且距离(具体分流楔后缘到激波入 射点距离)小于等于3个附面层的厚度，尾缘微型涡流发生器2设置于基部分流楔1的尾缘。

所述的基部分流楔1的前、后缘高度H₂、H₁以及宽度D和长度L分别满足：0≤H₂≤H₁≤δ； 2H₁≤D≤5H₁；4H₁≤L≤10H₁；其中：δ为来流附面层的厚度。

如图1所示，本实施例中的尾缘微型涡流发生器2采用三个涡流发生单元2轴向垂直， 即沿Z轴方向单排排列。

所述的涡流发生单元3采用圆柱形结构，每个涡流发生单元2的水平最大高度h和轴向 最大长度l满足：0≤h≤0.3H₁；0≤l≤0.5H₁；并可根据具体尾缘涡流发生器不同结构进行调节。

在高马赫数条件下由于激波强度的增强，导致在激波入射点附件产生附面层的大尺度流 动分离，利用图1所示装置的流动控制作用，在分流楔的侧缘及尾缘产生的涡结构可消除流动 分离现象，避免由于流动分离导致的诸多负面效果。

实施例2

如图2所示，本实施例与实施例1的区别在于：所述的尾缘微型涡流发生器2采用两个 涡流发生单元2轴向垂直，即沿Z轴方向单排排列；且所述的涡流发生单元2采用前倾形楔形 结构。

该涡流发生单元2的形状结构技术要求细节为：所述的涡流发生单元2的后缘高度h、 宽度d和长度l分别满足：0≤h≤0.3H₁；h≤d≤2h；h≤l≤3h。

本实施例在高马赫数条件下的控制效果与实施例1相似。

实施例3

如图3所示，本实施例与实施例1的区别在于：所述的尾缘微型涡流发生器2采用两个 涡流发生单元2轴向垂直，即沿Z轴方向单排排列；且所述的涡流发生单元2采用后仰形楔形 结构。

该涡流发生单元2的形状结构技术要求细节为：所述的涡流发生单元2的前缘高度h、 宽度d和长度l分别满足：0≤h≤0.3H₁；h≤d≤2h；h≤l≤3h。

本实施例在高马赫数条件下的控制效果与实施例1相似。

实施例4

如图4所示，本实施例与实施例1的区别在于：所述的尾缘微型涡流发生器2采用两个 涡流发生单元2轴向垂直，即沿Z轴方向单排排列；且所述的涡流发生单元2采用凹陷锯齿结 构。

该涡流发生单元2的形状结构技术要求细节为：所述的涡流发生单元2的后缘高度h、 宽度d和长度l分别满足：0≤h≤0.3H₁；h≤d≤2h；h≤l≤3h。

本实施例在高马赫数条件下的控制效果与实施例1相似。

实施例5

如图5所示，本实施例与实施例1的区别在于：所述的尾缘微型涡流发生器2采用6个 涡流发生单元2轴向垂直，即沿Z轴方双排对齐排列；

双排涡流发生单元2之间的轴心距离DX的参数要求为：l≤DX≤2l。

本实施例相比于实施例1，可增强对分流楔尾缘的剪切层混合效果，更好的抑制激波导 致的流动分析现象，但可能导致相比于实施例1较大的阻力。

实施例6

如图6所示，本实施例与实施例1的区别在于：所述的尾缘微型涡流发生器2采用5个 涡流发生单元2轴向垂直，即沿Z轴方双排交错排列；

双排涡流发生单元2之间的轴心距离DX的参数要求为：l≤DX≤3l。

本实施例相比于实施例1，可增强对分流楔尾缘的剪切层混合效果，更好的抑制激波导 致的流动分析现象，但可能导致相比于实施例1较大的阻力。