超声速流场的流动控制装置

摘要

本发明提供了一种超声速流场的流动控制装置，包括吸气孔，用于吸入超声速流场的气流；吸气流道，与吸气孔连通，用于降低从吸气孔吸入气流的速度；吹气流道，与吸气流道连通，用于提高气流速度；吹气孔，与吹气流道连通，用于将吹气流道内的气流吹出至超声速流场；射流结构，用于朝吹气流道喷射气流。在超声速流场的流动过程中，部分气流将通过吸气孔进入到吸气流道，实现对超声速流场的抽吸控制；再通过吹气流道及吹气孔注入超声速流场，实现对超声速流场的吹除控制；射流结构朝吹气流道喷射气流，可以满足当入射激波的位置及强度改变的情况下，能够对超声速流场的持续抽吸及吹除，保证超声速流场的稳定流动，扩宽该流动控制装置的工作范围。

说明书

技术领域

本发明涉及空气动力学领域，特别地，涉及一种超声速流场的流动控制装置。

背景技术

超声速流场中的流动控制技术是空气动力学领域中十分重要的研究方向。超声速流动速 度高、动量大，流场中存在着激波边界层干扰、流动分离等复杂现象，针对超声速流场的流 动控制方案为射流控制、抽吸控制或吹吸控制。

射流控制为通过向超声速流场注入气体射流的方式，改变流场结构从而实现控制目的； 但这种控制场合具有局限性，当所需的射流气体流量较大时，会不利于某些场合（如飞行器） 的应用，控制范围窄。抽吸控制是在流场固壁边界设置抽吸孔槽，利用负压原理将流场中的 气流部分吸除，改变流场结构从而实现控制目的。但抽吸会损失部分气体流量，对超声速进 气道等控制场合不利，控制范围窄。吹吸控制是利用激波前后的压差驱动气流，但吹吸控制 的控制效果直接受到激波强度、位置等因素的影响，控制范围窄。

发明内容

本发明目的在于提供一种超声速流场的流动控制装置，以解决现有技术中超声速流场的 流动控制范围窄的技术问题。

为实现上述目的，根据本发明提供了一种超声速流场的流动控制装置，包括：吸气孔， 用于吸入超声速流场的气流；吸气流道，与吸气孔连通，用于降低从吸气孔吸入气流的速度； 吹气流道，与吸气流道连通，用于提高气流速度；吹气孔，与吹气流道连通，用于将吹气流 道内的气流吹出至超声速流场；射流结构，用于朝吹气流道喷射气流。

进一步地，射流结构包括射流集气腔和连通射流集气腔和吹气流道的引射喷嘴，引射喷 嘴将射流集气腔内的气流加速后注入到吹气流道内。

进一步地，引射喷嘴具有沿引射喷嘴内的气流流动方向先收缩再扩张的内腔结构。

进一步地，引射喷嘴的出口截面与吹气孔的截面的面积比为0.1～1.0。

进一步地，吹气孔设置在沿超声速流场流动方向上的吸气孔的上游。

进一步地，吸气孔和吹气孔在沿超声速流场流动方向上错开设置。

进一步地，流动控制装置还包括连通吸气流道和吹气流道的连接段。

进一步地，吸气流道包括间隔设置的多个吸气气流槽，吸气孔为多个，且多个吸气气流 槽与多个吸气孔对应设置。

进一步地，吹气流道包括间隔设置的多个吹气气流槽，吹气孔为多个，且多个吹气气流 槽与多个吹气孔对应设置。

进一步地，吸气气流槽具有沿吸气气流槽内的气流流动方向扩张的内腔结构，吹气气流 槽具有沿吹气气流槽内的气流流动方向逐渐收缩的内腔结构。

本发明具有以下有益效果：

根据本发明的流动控制装置，在超声速流场的流动过程中，当入射激波入射至本发明的 流动控制装置上时，由于反射激波的波后压力高于入射激波的波前压力，部分超声速流场的 气流将通过吸气孔进入到吸气流道，实现对超声速流场的抽吸控制；再通过吹气流道及吹气 孔注入超声速流场，实现对超声速流场的吹除控制；射流结构朝吹气流道喷射气流，可以满 足当入射激波的位置及强度改变的情况下，能够对超声速流场的持续抽吸及吹除，保证超声 速流场的稳定流动，扩宽该流动控制装置的工作范围。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面 将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及 其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明优选实施例的超声速流场的流动控制装置的立体结构示意图；

图2是图1的俯视示意图；

图3是图2的A-A的剖视示意图。

10、吸气孔；20、吸气流道；30、吹气流道；40、吹气孔；50、射流结构；51、射流集 气腔；52、引射喷嘴；60、连接段。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖 的多种不同方式实施。

参见图1，本发明的优选实施例提供了一种超声速流场的流动控制装置，包括吸气孔10， 用于吸入超声速流场的气流；吸气流道20，与吸气孔10连通，用于降低从吸气孔10吸入气 流的速度；吹气流道30，并与吸气流道20连通，用于提高气流速度；吹气孔40，并与吹气 流道30连通，用于将吹气流道30内的气流吹出至超声速流场；射流结构50，用于朝吹气流 道30喷射气流。根据本发明的流动控制装置，在超声速流场的流动过程中，当入射激波入射 至本发明的流动控制装置上时，由于反射激波的波后压力高于入射激波的波前压力，部分超 声速流场的气流将通过吸气孔10进入到吸气流道20，实现对超声速流场的抽吸控制；再通过 吹气流道30及吹气孔40注入超声速流场，实现对超声速流场的吹除控制；射流结构50朝吹 气流道30喷射气流，可以满足当入射激波的位置及强度改变的情况下，能够对超声速流场的 持续抽吸及吹除，保证超声速流场的稳定流动，扩宽该流动控制装置的工作范围。

具体地，请结合参见图2和图3，吸气孔10是用于吸入超声速流场的气流的。吸气孔10 设置在超声速流场的入射激波的下游；在超声速流场的流动过程中，当入射激波入射到本发 明的流动控制装置上时，由于反射激波的波后压力高于入射激波的波前压力，部分超声速流 场的气流将通过吸气孔10进入到吸气流道20。吸气孔10设置多个，一般地，为了保证吸入 的气体流量，吸气孔10的数量大于或等于三个，如四个。吸气孔10的形状可以为矩形也可 以为近似矩形。为了保证抽吸控制的效果，吸气孔10的宽度与孔间距的比值范围为0.1～1.0； 一般地，气孔的宽度与孔间距的比值范围为1.0。

吸气流道20用于降低从吸气孔10吸入气流的速度。吸气流道20与吸气孔10相通。具 体地，吸气流道20包括间隔设置的多个吸气气流槽，多个吸气气流槽与多个吸气孔10对应 设置，以使得从吸气孔10吸入的气流能进入对应的吸气气流槽。吸气气流槽具有沿着吸气气 流槽内的气流流动方向扩张的内腔结构，以降低气流速度。为了方便加工制造，可将吸气气 流槽的横截面设置为矩形或近似矩形。优选地，为了实现更好的抽吸控制效果，吸气流道20 在吸气孔10处的平均方向角范围为5°～45°，一般地，吸气流道20在吸气孔10处的平均方 向角为10°。

吹气流道30用于提高气流速度。吹气流道30与吸气流道20相通。具体地，吹气流道30 包括间隔设置的多个吹气气流槽，多个吹气气流槽与多个吸气气流槽的在气流流动方向上错 开设置。吹气气流槽具有沿着吸气气流槽内的气流流动方向收缩的内腔结构，以提高气流速 度。为了方便加工制造，可将吹气气流槽的横截面设置为进行或近似矩形。

为了让从各吸气气流槽流出的气体混合，同时将从各吸气气流槽流出的气体的速度稳定， 在吸气流道20和吹气流道30之间设有连通吸气流道20和吹气流道30的连接段60。连接段 60具有横截面积相等的内腔结构。为了方便加工制造，可将连接段60的横截面设置为矩形或 近似矩形。

吹气孔40用于将吹气流道30内的气流吹出至超声速流场。吹气孔40与吹气流道30相 通；多个吹气孔40对应多个吹气气流槽对应设置。吹气孔40设置在超声速流场的入射激波 的上游，可以将吹气孔40的高动量射流注入到超声速流场的主流中，提高主流局部区域气流 的动量；吹气孔40设置在沿超声速流场流动方向的吸气孔10的上游。吹气孔40和吸气孔10 沿超声速流场流动方向错开设置，以减小吹气孔40注入流场的气流对吸气孔10附近的流场 的干扰，以提高吸气孔10的抽吸效果。吹气孔40设置多个，一般地，为了保证吹除的气体 流量，吹气孔40的数量大于或等于三个，如五个。吹气孔40的形状可以为矩形也可以为近 似矩形。为了保证吹除控制的效果，吹气孔40的宽度与孔间距的比值范围为0.1～1.0。为了实 现更好的吹除控制效果，吹气流道30在吹气孔40处的平均方向角范围为5°～45°，吹气流 道30在吹气孔40处的平均方向角范围为10°。

为了保证即使在入射激波的位置及强度改变的情况下，本发明的流动控制装置能够对超 声速流场的持续抽吸及吹除，保证超声速流场的稳定流动，本发明的流动控制装置还包括射 流集气腔51，射流集气腔51用于朝吹气流道30喷射气流。为了保证射流集气腔51能够持续 地朝吹气流道30提供气流，射流集气腔51与高压气源相通。

射流结构50包括射流集气腔51和与射流集气腔51和吹气流道30的引射喷嘴52，引射 喷嘴52将射流集气腔51内的气流加速后注入到吹气流道30内。射流集气腔51的气体将引 射喷嘴52注入到吹气流道30后，可使得吹气流道30内的气流增强，当入射激波的位置及强 度改变时，吹气流道30内总有气流能够从吹气孔40中吹除，因此能保证该流动控制装置持 续对超声速流场有效，扩宽的改流动控制装置的工作范围。并且射流集气腔51的气体注入到 吹气流道30后，射流集气腔51注入吹气流道30的气流与吹气流道30内的气流混合，所形 成的混合气流再通过吹气孔40注入超声速流场，相比于单独将射流集气腔51的气流注入到 超声速流场或单独将吹气流道30内的气流注入到超声速流场内，能够显著地提高对超声速流 场的流动控制效果，有利于降低射流所需的用气量。射流集气腔51的气体注入到吹气流道30 后，射流集气腔51注入吹气流道30的气流与吹气流道30内的气流混合，高速流动的射流气 体会带动吹气流道30内的气体流出，可进一步地降低连接段60内的压力，提高吸气流道20 内的压力差，从而提高了吸气孔10的吸气效率。

为了进一步提高从射流集气腔51射出的气流的流速，引射喷嘴52具有沿引射喷嘴52内 的气流流动方向先收缩再扩张的内腔结构，以产生超声速气流，提高射流时的动量。为了确 保引射和吹吸效果，并降低射流集气腔51射流时的气体用量，引射喷嘴52的出口截面与吹 气孔40的截面的面积比为0.1～1.0；一般地，引射喷嘴52的出口截面与吹气孔40的截面的面 积比为0.2。

从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：

根据本发明的流动控制装置，在超声速流场的流动过程中，当入射激波入射至本发明的 流动控制装置上时，由于反射激波的波后压力高于入射激波的波前压力，部分超声速流场的 气流将通过吸气孔10进入到吸气流道20，实现对超声速流场的抽吸控制；再通过吹气流道 30及吹气孔40注入超声速流场，实现对超声速流场的吹除控制；射流结构50朝吹气流道30 喷射气流，可以满足当入射激波的位置及强度改变的情况下，能够对超声速流场的持续抽吸 及吹除，保证超声速流场的稳定流动，扩宽该流动控制装置的工作范围。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员 来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等 同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。