山脊型扫掠涡流发生器及生成方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及的是一种排移超跨音速机体低能流的山脊型扫掠涡流发生器（Swept Vortex Generator，简称为SVG)及生成方法，属于无隔道进气道设计技术领域。
【背景技术】
[0002] 克服进气道外部边界层对进气系统总压回复系数的不利影响一直是飞行器设计 师的一个严峻挑战。至今，已有一些方法来防止低能流进入到进气道内，分别是隔道、放气 装置及鼓包型面。经典的隔道结构仍然在第四代战斗机上使用；鼓包表面也不再新鲜，它在 第五代战斗机上已经开始应用；放气装置则被广泛应用于跨音速及亚音速范围。通常放气 结构本身并不能完全减小边界层的厚度，但在控制与减小边界层厚度的不同阶段，这种装 置是必不可少的。每种系统都有自己的优缺点。例如，机身与进气道间的隔道设计可以有 效的减小低能流进入进气道，但这种设计不可避免的增加了阻力，尤其是在超音速情况下， 隔道处的激波显著增加了阻力。鼓包型面适用于进气道/机身一体化，隐身等，在降低总阻 力方面也有不错的效果。鼓包型面设计的主要思想是基于已知锥形激波后的流场，采用流 线追踪技术生成型面，换句话说，经典的鼓包型面受到锥型流场特征的约束。虽然非对称、 非乘波式的鼓包表面设计正在研宄中，但在气动性能方面没有足够的数据公布。另外，在高 马赫数下，鼓包型面不能有效的排除边界层。
[0003] 山脊型扫掠涡流发生器SVG设计可以避免上述装置的一些重要缺点，可以显著地 减小飞行器的横截面积与阻力。从气动力学分析，SVG结构从亚音速、跨音速到超音速范围 内排移边界层的能力，同时飞行阻力也可减小。
【发明内容】
[0004] 本发明提出的是一种山脊型扫掠祸流发生器（Swept Vortex Generator，简称 SVG，见图1、图5)及生成方法，是一种新概念的进气道，这种新结构没有排放气系统，没有 作动机构，它可以使进气道与不同形状的机身进行一体化设计；CFD结果表明，SVG结构改 变气流的方向是基于两个气动现象，表面的压差与漩涡；压差与漩涡作用相结合，产生了一 个有效的气流带去降低不同马赫数下低能流速度并改变其方向。SVG不仅可取代经典的隔 道结构，还由于它设计的灵活性，可在结构多变的进气道入口上使用；最后，SVG作为一种 新的设计方案，应用于空气动力设计方面，特别是在改变高速飞行器表面的低能流流动方 向上。
[0005] 本发明的技术解决方案：山脊型扫掠涡流发生器，其持征是在平面或曲面上生成 山脊型结构，山脊型结构又由偏转线与横截面轮廓组合而成；其中偏转线角度为流线的偏 转角，横截面形状如图3所示，由三段构成：ab段在迎风侧，由方程生成，为一段光滑的曲 线，能保证来流阻力较小；be段为圆弧，连接ab段与cd段；cd段在背风侧，通常为一垂线或 曲线。
[0006] 山脊型扫掠涡流发生器的生成方法，包括： (1) 依靠迎风面与背风面产生的压差形成涡流，将低能流排移，提高进气道入口气流的 品质，在平面上确定偏转线（既边界层的新流向），偏转线是沿中心界面对称的两条线，具有 相同的长度； (2)在与平板垂直的平面上定义山脊脊顶轮廓（山脊顶部低压棱的投影，该棱线见图2) 曲线，偏转线包含在山脊形结构中； (3) 设计二维横截面，该界面边缘包括高压区、低压区及之间的压差表面； (4) 基于基准点，把设计的横截面沿着偏转线缩放成不同大小的界面，基准点为横截面 与偏转线的交点； (5) 定义两条偏转线之间的中心面，该表面的横截形状可以为一段圆弧； (6) 把各部分结构进行有机组合，形成三维表面，即为山脊形结构。
[0007] 本发明的优点：本发明侧重于SVG结构对边界层排移能力的研宄，根据数值模拟， SVG可以在大范围马赫数范围内排除边界层低能流。在两个SVG结构之间，宽广的扫流区域 被认为是SVG独有的特点，结合压缩表面就可以得到一个很好地结构；虽然进行优化周期 是空气动力学设计所必须的阶段，但SVG结构的平面形状设计概念没有这一约束，另一方 面SVG结构在不同的型面上都有足够的适应性；SVG的兼容性使得其结构在不同进口几何 形状与压缩表面上设计与使用都有易操作性；SVG更显著的优势是减小阻力，通过使用SVG 结构代替隔道，进气结构更贴近机身，飞行器的总横截面积减小，因此总阻力也减小；与经 典的隔道结构相比，本发明没有遇到边界层分离和超音速时阻力剧增的情况。
【附图说明】
[0008] 附图1是SVG基本结构图。
[0009] 附图2是SVG及周围压力分布图。
[0010] 附图3是SVG结构横截面图。
[0011] 附图4是SVG结构横截面压力系数图。
[0012] 附图5是SVG结构三维示意图。
[0013] 附图6是SVG排移低能流流线图。
【具体实施方式】
[0014] 山脊型扫掠涡流发生器，其结构是在平面或曲面上生成山脊型结构(见图1)，山脊 型结构又由偏转线与横截面轮廓组合而成；其中偏转线角度为流线的偏转角，横截面形状 如图3所示，由三段构成：ab段在迎风侧，由方程生成，为一段光滑的曲线，能保证来流阻力 较小；be段为圆弧，连接ab段与cd段；cd段在背风侧，通常为一垂线或曲线。
[0015] 山脊型扫掠涡流发生器的生成方法，包括如下步骤： (1) 依靠迎风面与背风面产生的压差形成涡流，将低能流排移，提高进气道入口气流的 品质，在平面上确定偏转线（既边界层的新流向），偏转线是沿中心界面对称的两条线，具有 相同的长度； (2)在与平板垂直的平面上定义山脊脊顶轮廓（山脊顶部低压棱的投影，该棱线见图2) 曲线，偏转线包含在山脊形结构中； (3) 设计二维横截面，该界面边缘包括高压区、低压区及之间的压差表面； (4) 基于基准点，把设计的横截面沿着偏转线缩放成不同大小的界面，基准点为横截面 与偏转线的交点； (5) 定义两条偏转线之间的中心面，该表面的横截形状可以为一段圆弧； (6) 把各部分结构进行有机组合，形成三维表面，即为山脊形结构。
[0016] 所述山脊形的截面轮廓曲线的生成方法，包括： 1) 根据边界层厚度估算山脊形状曲线的最大高度；依据所需涡的能量，这个最大高度 可以为边界层厚度的2. 5~5倍； 2) 为定义山脊横截面轮廓形状曲线函数，定义三维坐标系，偏转线与平板相交的点为 原点，其中x方向沿偏转线，y方向垂直于平板； 3) 定义山脊形轮廓曲线，通过起始点与最大高度约束山脊形状曲线，这种方法中的曲 线可以通过在xz平面上的二元二次曲线或三角方程得到。
[0017] 所述山脊形的横截面的设计方法包括： ① 确定横截面数量，横截面与偏转线相垂直；为了计算简单，起始部分(沿山脊长度）包 括主截面轮廓； ② 由山脊形高度的变化计算比例因子； ③ 在每个截面上，以偏转线为法向，设置一个二维坐标系，x、y方向与偏转线垂直，并且 x轴与平板平行； ④ 考虑山脊高度和偏转线上的基准点，创建起始横截面的轮廓曲线。在尖端可以用一 个段圆弧设计，圆弧的圆心与偏转线的垂直距离可以为起始部分脊型的最大高度； ⑤ 在起始点与尖部轮廓之间的连线可以是一段三角函数曲线，形成压缩部分，该曲线 与顶部的圆弧相切，另一条曲线形成低压段。
[0018] 所述山脊形的曲面位置的布置方法包括： ① 确定需排移涡的宽度与位置； ② 在安置山脊形结构处，计算边界层湍流形式与厚度； ③ 通过脊形位置预定义偏转角度，基于当地流线的偏转角，定义偏转角度，机身上的偏 转角线可以通过投影创建； ④ 在横截面上定义脊形所在平面，该平面与偏转线垂直； ⑤ 定义两条山脊之间的中部表面：该面可以基于机身与进气道的最大高度，由圆弧或 多段曲线生成； ⑥ 缩放横截面形成三维山脊结构。
[0019] 所述进气道进口与山脊形表面的整合方法包括： ① 定义进气道入口所需的扫涡宽度； ② 根据权利要求2与3,设计脊形结构； ③ 在进气道入口前设计中央面形状，该表面可以根据进气道进口形状设计； ④ 在机身表面，基于进气道结构，设计独特的SVG结构，无分离的山脊结构，光滑的表 面流动轮廓。这部分能容易的通过样条曲线设计。
[0020] 山脊型扫掠涡流发生器的生成方法，包括如下步骤： (1) 通过三维坐标中的样条曲线定义初始曲线和主要表面的边界； (2) 计算表面的初始点集； (3 )从预处理中通过初始条件求解二阶椭圆偏微分方程
其中代表函数面，
为力值函数，a与b是向 量参数。
[0021] 所述两条山脊之间的中部表面加上额外压缩面的方法，包括： ① 选择基础压缩型面； ② 确定压缩表面与涡流发生器之间的最大距离； ③ 重新设计中央的压缩面，可以是斜坡面、圆锥面或鼓包表面；④重新设计型的压缩面 入口形状。
[0022] SVG结构应用于无隔道进气道中，可有效的排移低能流，提高进气道的性能；在无 隔道进气道中，SVG结构安装在进口前的鼓包上，产生湍流漩涡，将流向进口的低能卷吸， 排移到进口两侧，提高进气道进口气流品质，从而提高进气道性能；并且对于大马赫数范围 内，基于SVG结构的无隔道进气道都有优异的性能。
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