本发明属于超声速流动领域，特别涉及一种超声速混合层主动控制方法。
背景技术：
对超声速混合层的控制从广义上讲包括增强混合和抑制混合，本发明中提到的控制主要是指增强混合。目前对超声速混合层控制方法分为主动控制和被动控制两种。被动控制通过在尾缘(即隔板远离来流方向的一端)上增设突片、锯齿、波瓣等结构，从而产生流向涡或不稳定脉动进而达到对超声速混合层厚度的控制。被动控制方式结构简单、控制效果明显，但具有尾缘结构固定无法根据来流情况进行调整的缺点。主动控制则是通过向被控流场中主动注入气体，通过注入气体改变流场的能量和动量，进而改变流场的特征结构，达到控制掺混的作用。
现有的超声速混合层主动控制装置主要有机械振动式激励器、等离子体式激励器和射流扰动器。机械振动式激励器的缺点在于工作频率低，等离子体式激励器是利用电弧放电来实现对气流的周期性的加热，其缺点在于能量密度偏低，射流扰动激励器缺点是需要额外的气源。更主要的对于超声速标量混合，以往的主动增强混合方式虽然显著提高超声速混合层空间增长率，但是混合均匀程度即掺混效率没有明显地提升。如何在有限距离内充分提高掺混效率，是现有超声速混合层主动控制方法的技术难题。
技术实现要素：
针对传统超声速混合层控制方法工作频率低、能量密度低、需要额外气源且掺混效率不高的问题，本发明提出一种超声速混合层控制方法，具体方案如下：
一种超声速混合层控制方法，包括以下步骤：
S1，利用射流对超声速混合层施加扰动；
超声速混合层，是指两股速度不等的平行超声速气流在自由空间相互混合，其初始混合面为平面，两股气流在相遇之前通过设置的隔板隔离，超声速混合层还包括超声速标量混合层，超声速标量混合层是指两个速度不等，组分不同的平行超声速气流在自由空间相互混合。超声速混合层厚度增长率远低于亚声速混合层增长率，施加扰动目的是混合层中引入各种激励，以激发混合层的不稳定性，从而使混合层空间增长率提高。
所述射流设置在超声速混合层上游，即隔板靠近尾端的区域，通过射流对超声速来流施加横向以及展向的扰动，使超声速来流具有一定的横向和展向速度；
所述展向方向为图1中垂直纸面的方向；
所述横向方向为图1中竖直方向；
所述流向方向为图1中水平方向；
超声速混合层中游为混合层线性增长区，下游为混合层自相似区；
优选的，射流或布置在隔板的上下表面，或布置在隔板的尾端；
若布置在隔板上下表面，所述射流出口角度或垂直于超声速来流方向，或与超声速来流方向倾斜0～45度；
所述倾斜角为在流向垂直的平面内，与横向方向的夹角；
若布置在隔板尾端，所述射流出口角度或平行于超声速来流方向，或与超声速来流方向倾斜0～45度；
所述倾斜角为在展向垂直的平面内，与流向的夹角；
本发明通过射流实现对超声速来流施加横向以及展向的扰动，使超声速来流具有一定的横向和展向速度，从而有助于超声速混合层的失稳，可以较早的产生大尺度的展向涡结构；同时在展向方向单个或者成阵列形式布置的等离子体合成射流激励器还能诱发并产生大尺度的流向涡；上述诱导产生的展向涡结构以及流向涡结构都可以较好的增大超声速混合层的空间增长率，起到提高掺混效率的作用；
进一步的，所述射流采用等离子体合成射流，更进一步的，采用等离子体合成射流激励器产生射流；
所述等离子体合成射流激励器，其放电是在一个开有出口孔缝的小腔体内，所产生的等离子体并不与受控流场直接接触，而是通过加热腔内气体，使其增压膨胀并高速喷出，实现对流场的操控；等离子体合成射流激励器既可以产生速度高达数百米每秒的高能射流，又可以产生近似声速的压缩波，对受控流场兼具动量注入的涡控效果和压缩波扰动的波控效果，在超声速/高超声速流动控制中具有双重作用优势；
等离子体合成射流激励器的构造和使用方式具体可参见专利ZL201510578087.5，ZL201510058090.4，ZL20140324990.4，以及论文《两电极等离子体合成射流激励器工作特性研究》，和《等离子体高能合成射流及其超声速流动控制机理研究》；
优选的，等离子体合成射流激励器布置在两股超声速气流之间的隔板内，等离子体合成射流激励器的射流出口或布置在隔板的上下表面，如图2所示，或布置在隔板的尾端，如图3所示；
所述等离子体合成射流激励器或为一个，或为一组等离子体合成射流激励器组成的阵列；
所述等离子体合成射流激励器或为单个两电极，或为单个三电极等离子体合成射流激励器；
所述两电极等离子体合成射流激励器，由直流电源、放电电容、激励器正极、激励器负极、激励器腔体和激励器出口组成；工作时直流电源为放电电容充电，达到击穿电压后在激励器腔体内气体的电离，使得激励器腔体内气体膨胀并高速喷出，随后由于射流喷出及激励器腔体冷却使得激励器腔体内温度和压力下降，外部气体重新充填激励器腔体，为下一个循环做准备；
所述三电极等离子体合成射流激励器，由直流电源、高压脉冲电源、放电电容、激励器正极、激励器负极、激励器点火电极、激励器腔体和激励器出口组成；工作时直流电源为放电电容充电，高压脉冲电源在激励器腔体内火花放电产生等离子体，使得激励器正负极之间击穿电压降低，从而触发放电电容放电，使得激励器腔体内气体膨胀并高速喷出，随后由于射流喷出及激励器腔体冷却使得激励器腔体内温度和压力下降，外部气体重新充填激励器腔体，为下一个循环做准备；
由此实现了基于等离子体合成射流的超声速混合层控制。
同样的，本发明还可以采用现有的射流扰动器等其他装置产生射流，进行扰动；
所述射流扰动器等装置产生的射流对超声速混合层的具体影响和所述等离子体合成射流激励器产生的射流作用相同；
本发明通过利用射流在超声速混合层上游施加扰动，可以主动控制超声速混合层，诱导产生的大尺度展向涡结构和流向涡结构对超声速气流施加了横向和展向扰动，如图5所示，起到了可根据超声速来流条件而主动调节超声速混合层并且提高超声速混合层空间增长率的技术效果。
为了进一步提高掺混效率，本发明还公开了另一种超声速混合层控制方法，包括以下步骤：
S1，利用射流对超声速混合层施加扰动；
S2，利用射流诱导产生激波，对超声速混合层进一步施加扰动；
所述射流设置在超声速混合层流场内的中游或下游区域；
所述中游区域为流向隔板后距离小于10倍隔板厚度的的区域，即超声速混合层的线性增长区；超声速混合层流场内下游区域为流向隔板后距离大于隔板厚度10倍距离的区域，即超声速混合层的自相似区域；
优选的，所述射流设置在超声速混合层转捩的流向位置壁面上；
优选的，沿流向布置多个等离子体合成射流激励器，来流工况变化时，混合层转捩位置也随之变化，此时根据混合层转捩位置来开启相应位置的等离子体合成射流激励器，诱导产生激波；
所述射流，或采用等离子体合成射流；或采用现有的射流扰动器等装置产生；
优选的，步骤S2选用和步骤S1相同的装置产生射流；
所述步骤S1中产生的大尺度涡结构极大的提高了混合层厚度；通过步骤S2在超声速流场的中下游壁面布置等离子体合成射流激励器等装置产生射流，射流与超声速来流相互作用诱导产生斜激波并作用到混合层施加干扰，如图4所示；激波可以将混合层中大尺度涡结构继续破碎成小尺度涡结构，从而提高掺混效率；
所述步骤S2中的等离子体合成射流激励器等装置仅在需要时开启，相对于传统的激波发生器，极大减少了超声速来流的总压损失；此外可以沿流向布置多个等离子体合成射流激励器，从而根据工况需要开启相应位置的等离子体合成射流激励器，可以在不同位置产生激波；因此，本发明起到了超声速来流总压损失小，产生激波位置可调的技术效果；
本发明的有益效果是：
1)提出了一种主动式超声速混合层控制方法，可以根据超声速来流条件的不同实现对超声速混合层的主动控制；
2)采用等离子体合成射流激励器在超声速混合层上游施加扰动，等离子体合成射流产生的扰动使来流快速失稳，使超声速混合层厚度显著增大，在中下游施加干扰的方式，诱导产生的激波作用在超声速混合层上，使得混合更加均匀，最终实现提高掺混效率；
3)等离子体合成射流激励器的工作频率可以达到流场的共振频率，提高激励效果。当激励频率与流场的共振频率接近时，激励的效果显著的提高，由于流场的共振频率一般较高，以往的激励器工作频率难以达到，等离子体合成射流激励器由于没有机械动件，可以实现较高的工作频率；
4)等离子体合成射流激励器可以实现对超声速流场的有效控制，在超声速的流场中，流场的湍流度较大时，微小的扰动会被淹没在背景噪声中，只有较大幅度的扰动才可以实现对超声速流场的有效控制，等离子体合成射流激励器的射流速度可达数百米每秒，是高能量密度的激励器，因此可以实现对超声速流场的有效控制；
5)采用闭环控制的方式可以主动控制超声速混合层，可以根据飞行器需要随时调节工作状态，具有总压损失小、控制灵活的特点；
6)等离子合成射流激励器具有体积小、重量轻、能量效率高、射流动量大、工作频带宽，无气源、管路供应系统及机械活动部件等诸多优点，并且响应迅速、易于电参数控制，对于严格要求轻小型化、快响应控制的高超声速飞行器十分适用。
附图说明
图1为超声速混合层示意图；
图2为等离子体合成射流激励器在边界层喷注示意图；
图3为等离子体合成射流激励器在回流区喷注示意图；
图4为等离子体合成射流激励器产生激波示意图；
图5为实施例1等离子体合成射流对流场扰动示意图；
图6为实施1等离子体合成射流未工作NPLS试验结果；
图7为实施例1等离子体合成射流激励器710放电450μs后NPLS试验结果；
图8为实施例2等离子体合成射流激励器720放电450μs后NPLS试验结果；
图9为实施例3组合方式下增强混合的NPLS试验结果；
图1中1表示为隔板，201表示为上壁面，202表示为下壁面，301表示为隔板上边界层，302表示为隔板下边界层，4表示为混合层，501表示为混合层上游，502表示为混合层中游即超声速混合层线性增长区，503表示为混合层下游即超声速混合层自相似区，601表示为上侧来流，602表示为下侧来流；图2中710表示为等离子体激励器；图3中720表示为等离子体激励器；图4中730表示为等离子体激励器，8表示为激波；图5中U′，V′和W′分别表示具有速度U的气流经过等离子体合成射流激励器后的三个方向分速度。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，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。
实施例使用超声速流动显示与测量技术(Nano-tracer Planar Laser Scattering,NPLS)获取实验结果。该技术以纳米粒子作为示踪粒子,以脉冲平面激光作为光源,通过跨帧CCD相机(charge coupled device camera)记录流场中的粒子实现超声速流动的高分辨率成像，在NPLS系统中,计算机控制各部件的运行,并保存所采集到的实验图像；同步控制器的输入、输出参数通过计算机软件控制,其他各部件的协同工作均由同步器所发出的指令控制；跨帧CCD相机的曝光和脉冲激光光源的激光输出时序相差200μs；跨帧CCD相机的像素为4008x2672；双腔Nd:YAG激光器(钇铝石榴石晶体激光器),波长为532nm，单次脉冲的能量为350mJ，脉冲宽度为6ns，准直激光束通过片光镜头转换为具有一定厚度的平面激光；纳米粒子发生器由高压气源驱动,输出粒子的浓度通过调节驱动压力实现.NPLS系统工作时,首先通过一定的撒播方式使纳米粒子与来流充分混合,待观察区域内建立所需流场之后,同步控制器控制激光与跨帧CCD相机的同步,保证纳米粒子散射激光的同时跨帧CCD相机处于曝光状态.由此接收到纳米粒子图像：基于纳米粒子的平面激光流动成像技术的纳米粒子图像与片光切面内的流场结构有一定对应关系，通过适当的处理方法就可以得到粒子图像所反映的流场结构。
实施例1
具体的，本实施例采用等离子体合成射流激励器产生射流，对超声速混合层施加扰动；
如图1，两股速度为U1的和U2的超声速平行气流在隔板后相遇形成超声速混合层4，如图2所示在隔板1中安装等离子体合成射流激励器阵列710，等离子体合成射流激励器布置在两股超声速气流之间的隔板内，等离子体合成射流激励器的射流出口布置在隔板的上下表面；在上下表面布置条件下，所述等离子体合成射流激励器的射流出口角度垂直于超声速来流方向；所等离子体合成射流激励器的射流出口流向位置，距离隔板尾端为10mm。等离子体合成射流激励器的射流出口展向分布，两个激励器出口间距为20mm。
如图5所示，等离子体合成射流激励器阵列710通过高速喷出的射流实现对超声速气流601施加扰动。超声速来流601未受扰动的时候，只有流向速度U1，受到扰动之后流向速度变为U'，并且还获得了横向速度V'和展向速度W'，从而使超声速混合层4在较短距离内产生较大尺度的涡结构，实现混合层厚度增长速率的增大。
如图6所示，在等离子体合成射流激励器阵列710不工作时，超声速混合层呈现较为规则的涡结构。如图7所示，当等离子体合成射流激励器阵列710开始工作450μs后，较短距离内出现更大尺度涡结构使混合层厚度明显增大，表明实现提高掺混效率的目的。
本实施例通过等离子体合成射流激励器710对混合层进行扰动，使其快速失稳，形成大尺度涡结构，使得超声速混合层的空间增长率显著提高。
实施例2
与实施例1不同之处在于，等离子体合成射流激励器阵列720射流出口布置在隔板尾端，射流出口方向与来流方向平行。两个射流出口之间的间距为20mm，如图3所示。
等离子体合成射流激励器阵列720通过高速喷出的射流作用到混合层速度拐点上，使得超声速混合层快速失稳，从而使超声速混合层4在较短距离内产生较大尺度的涡结构，实现混合层空间增长率增大。
如图8所示，当等离子体合成射流激励器阵列720开始工作450μs后，较短距离内出现更大尺度涡结构使混合层厚度明显增大，表明实现提高掺混效率的目的。
实施例3
与实施例1或2不同之处在于，还在超声速混合层转捩的流向位置(约为距离隔板尾端流向距离50mm)壁面上设置等离子体合成射流激机器阵列730，当等离子体合成射流激励器阵列710(或者720)工作后产生大尺度的涡结构，延迟100μs后等离子体合成射流激励器730开启，与超声速气流602作用产生激波8，激波8与超声速混合层4相互作用，使超声速混合层4中涡结构较快的破碎成更小尺度的涡，进而使超声速混合层4混合更加均匀。
作为优选的方案，在实施例3的基础上，还可以沿流向布置多个等离子体合成射流激励器，当来流工况变化时，混合层转捩位置也随之变化，此时根据混合层转捩位置开启相应位置的等离子体合成射流激励器，诱导产生激波。
如图9所示，等离子体合成射流激励器在超声速混合层上游施加扰动，在中下游施加激波干扰，混合层厚度和混合均匀程度大幅提高，表明有效起到了提高掺混效率的作用。