一种抑制激波作用下边界层分离的涡流发生器结构的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种抑制激波作用下边界层分离的涡流发生器结构，通过设置一个或多个平行排列的涡流发生器结构得到一种流动控制装置，旨在提高超音气体流动中激波作用下边界层的抗分离能力。本发明的涡流发生器基本呈四面体结构，位于激波边界层相互作用的干涉区上游边界层内，涡流发生器尾缘与干涉区起始点距离为15～30倍涡流发生器排所在位置处无控制时的边界层厚度；涡流发生器尾缘高度为0.3～0.8倍其所在位置处无控制时的边界层厚度；长度与其尾缘高度成正比，比值为5～10；宽度与其尾缘高度成正比，比值为2～4；涡流发生器排列中的间距与其尾缘高度成正比，比值为6～10；本发明适用于存在激波诱导边界层分离问题的超音速流场。
【专利说明】一种抑制激波作用下边界层分离的涡流发生器结构
【技术领域】
[0001]本发明涉及超音流动控制领域，是一种用于提高激波作用下边界层抵抗分离能力的控制装置，具体来说是一种抑制激波作用下边界层分离的涡流发生器结构。
【背景技术】
[0002]激波边界层干涉是超音气体流动中的一种气动现象，常见于超音进气道和超音压气机中。激波边界层干涉现象的存在极易诱导边界层的分离，使得流场恶化，导致气流增压能力受限，并且增加了流动损失，不利于提高压气机和进气道的效率。涡流发生器是一种用于改善激波边界层干涉诱导的流场分离的装置，其诱导的涡旋结构能够促使边界层外部高动量流体与边界层内部低动量流体进行能量交换，提高边界层内部流体动量以提高边界层抗分离能力。然而，由于现有涡流发生器结构诱导的涡旋之间具有相互弱化作用且迅速抬升远离壁面边界层，限制了其控制边界层的作用，不利于进一步提高边界层抗分离的能力。
【发明内容】
[0003]针对上述问题，本发明提出了一种新型涡流发生器结构，该涡流发生器结构组成的涡流发生器排能够在其下游诱导一排涡旋结构。这些涡旋之间距离固定且具有相同的旋转方向，不仅涡旋之间相互弱化作用小，而且相比传统的涡流发生器诱导的涡旋有效地增大了在边界层附近能够保持的距离。因此这种新型涡流发生器结构组成的涡流发生器排增强了边界层抗分离的能力。
[0004]为实现上述技术目的，本发明的涡流发生器结构通过以下技术方案实现:一种抑制激波作用下边界层分离的涡流发生器结构，包括多个涡流发生器，其特征在于，所述涡流发生器为四面体结构，包括一底面、一斜面和两个侧面，所述底面和斜面的交界处构成所述涡流发生器的前缘，所述两个侧面的交界处构成所述涡流发生器的尾缘，所述尾缘基本垂直于所述底面，所述涡流发生器设置于流体通道内，所述流体通道包括至少一工作表面和至少一收缩表面，所述流体通道内的工作流体为超音速来流，所述工作流体在所述工作表面上形成边界层，所述工作流体在所述收缩表面上产生斜激波，所述斜激波在所述边界层上形成激波边界层相互作用的干涉区，
[0005]所述涡流发生器的底面贴附在所述工作表面上，其前缘基本垂直于所述工作流体的来流方向，其尾缘基本垂直于所述工作表面，且所述多个涡流发生器设置于所述干涉区的上游的所述边界层内，所述多个涡流发生器平行均匀排列且前缘基本位于同一直线上构成涡流发生器排，各所述涡流发生器尾缘与所述干涉区起始点距离为15?30倍涡流发生器所在位置处无控制时的边界层厚度B，所述涡流发生器尾缘高度H与其所在位置处无控制时的边界层厚度B成正比，Η/Β=0.3?0.8 ;所述涡流发生器所在位置处无控制时的边界层厚度B是指该位置没有设置涡流发生器时的边界层厚度。
[0006]本发明的所述涡流发生器排布置于激波边界层干涉区的上游，均匀安装在上游壁面的表面，位于壁面边界层内部。[0007]优选地，所述涡流发生器设置于工作表面上，其底面贴附在所述工作表面上。
[0008]优选地，所述涡流发生器的前缘基本垂直于所述工作表面上的工作流体的方向，所述涡流发生器的尾缘基本垂直于所述工作表面。
[0009]本发明的所述涡流发生器形状为四面体结构，超音气流在每个涡流发生器的后部产生一道涡旋结构。
[0010]优选地，所述涡流发生器的前缘宽度W与其尾缘高度H成正比，比值为2?4。
[0011]优选地，所述涡流发生器沿流向长度L与其尾缘高度H成正比，比值为5?10。
[0012]优选地，所述涡流发生器尾缘高度H与其所在位置处的激波边界层厚度B成正比，比值为0.3?0.8。
[0013]优选地，所述涡流发生器设置于激波边界层干涉区上游，与干涉区前缘所在位置的距离正比于所述涡流发生器所在位置处的边界层厚度B，比值为15-30。
[0014]优选地，所述涡流发生器结构，包括多个涡流发生器，所述多个涡流发生器平行排列且前缘基本位于同一直线上，构成涡流发生器排。
[0015]优选地，所述多个涡流发生器均匀安装在工作表面上，相邻两涡流发生器之间的间距S基本相同。
[0016]优选地，相邻两涡流发生器之间的间距S与涡流发生器的尾缘高度H成正比，比值为6?10。
[0017]本发明的抑制激波作用下边界层分离的涡流发生器结构与现有技术相比较有如下有益效果:超音气流在每个涡流发生器的后部产生一道涡旋结构，涡流发生器排能够在其下游诱导一排涡旋结构。这些涡旋之间距离固定且具有相同的旋转方向，不仅涡旋之间相互弱化作用小，而且相比传统的涡流发生器诱导的涡旋有效地增大了在边界层附近能够保持的距离，提高了激波边界层干涉区下游边界层的抗分离能力，同时也减小了激波边界层干涉区的分离区尺寸。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1为一种斜激波与边界层相互作用案例图示；
[0019]图2为本发明所述涡流发生器的结构示意图；
[0020]图3为本发明所述涡流发生器的相对排列示意图；
[0021]图4为本发明所述涡流发生器排的排列示意图；
[0022]图5为本发明所述涡流发生器的尾缘高度与所处流场边界层高度对比图；
[0023]图6为本发明所述涡流发生器的尺寸参数图，其中㈧为俯视图，⑶为主视图。
【具体实施方式】
[0024]为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。
[0025]图1为一个典型的斜激波与边界层相互作用的案例。入口处气流马赫数为2.5，流场中通过设置的7°楔角引起一道斜激波0，斜激波O与下端壁面(即工作表面2)边界层的相互作用，引起激波后的边界层极易在遭遇逆压梯度时发生分离。通过在干涉区上游边界层内设置本发明所述涡流发生器排，改善激波作用下的边界层状态。所述涡流发生器I的尾缘位置与激波边界层相互作用区域前缘距离D=25B，B为无涡流发生器控制时涡流发生器所在位置处的边界层厚度。
[0026]图2为本发明所述涡流发生器的结构示意图，图3、4为本发明所述涡流发生器排的相对排列示意图。图5、6描述了涡流发生器的结构尺寸参数。本发明的涡流发生器I为四面体结构，包括一底面11、一斜面12和两个侧面13，所述底面11和斜面12的交界处构成所述涡流发生器I的前缘14，所述两个侧面13的交界处构成所述涡流发生器I的尾缘15，所述尾缘15基本垂直于所述底面11。在使用时，如图1、2所示，本发明的涡流发生器I设置于工作表面2上，其底面11贴附在所述工作表面2上，涡流发生器I的前缘14基本垂直于所述工作表面2上的工作流体的方向，涡流发生器I的尾缘15基本垂直于所述工作表面2。优选地，所述涡流发生器I的前缘宽度W与其尾缘高度H成正比，比值为2?4，所述涡流发生器沿流向长度L与其尾缘高度H成正比，比值为5?10。优选地，所述涡流发生器尾缘高度H与其所在位置处的激波边界层厚度B成正比，比值为0.3?0.8。优选地，所述涡流发生器I设置于激波边界层干涉区上游，与干涉区前缘所在位置的距离正比于所述涡流发生器I所在位置处的边界层厚度B，比值为15-30。
[0027]本发明的涡流发生器结构在使用时，布置多个涡流发生器I是一种优选的方式，多个涡流发生器I平行排列且前缘基本位于同一直线上，构成涡流发生器排，如图1、3、4所示出的那样。多个涡流发生器I均匀安装在工作表面2上，相邻两涡流发生器I之间的间距S基本相同。相邻两涡流发生器I之间的间距S与涡流发生器I的尾缘高度H成正比，比值为6?10。涡流发生器排布置于激波边界层干涉区的上游，均匀安装在上游壁面的表面，位于壁面边界层内部，与干涉区前缘所在位置的距离正比于涡流发生器排所在位置处的边界层厚度B，比值为15-30。本发明的所述涡流发生器形状为四面体结构，超音气流在每个涡流发生器的后部产生一道涡旋结构。
[0028]作为一种实施方式，例如可以将涡流发生器尾缘高度H为所在位置处的无涡流发生器控制时边界层厚度B的70% ;沿流向方向长度L为7倍涡流发生器尾缘高度H ;垂直流向的展向宽度W为3倍尾缘高度H ;涡流发生器组成的排列中相邻结构之间的间距S为7.5倍尾缘高度H。
[0029]数值计算结果显示，激波边界层相互作用区下游的边界层不可压形状因子由无控制时的1.47降为有涡流发生器控制时的1.39。边界层不可压形状因子是边界层位移厚度与动量厚度的比值，形状因子的数值与边界层抵抗逆压梯度引起分离的能力成反比，可以用来度量流动控制的效率。形状因子越低则代表了边界层抗分离能力越强，反之则抗分离能力越弱。所以，本发明所述涡流发生器有效地改善了激波边界层干涉区下游的边界层抗分离能力。
[0030]以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的范围之内。
【权利要求】
1.一种抑制激波作用下边界层分离的涡流发生器结构，包括多个涡流发生器，其特征在于，所述涡流发生器为四面体结构，包括一底面、一斜面和两个侧面，所述底面和斜面的交界处构成所述涡流发生器的前缘，所述两个侧面的交界处构成所述涡流发生器的尾缘，所述尾缘基本垂直于所述底面，所述涡流发生器设置于流体通道内，所述流体通道包括至少一工作表面和至少一收缩表面，所述流体通道内的工作流体为超音速来流，所述工作流体在所述工作表面上形成边界层，所述工作流体在所述收缩表面上产生斜激波，所述斜激波在所述边界层上形成激波边界层相互作用的干涉区， 所述涡流发生器的底面贴附在所述工作表面上，其前缘基本垂直于所述工作流体的来流方向，其尾缘基本垂直于所述工作表面，且所述多个涡流发生器设置于所述干涉区的上游的所述边界层内，所述多个涡流发生器平行均匀排列且前缘基本位于同一直线上构成涡流发生器排，各所述涡流发生器尾缘与所述干涉区起始点距离为15?30倍涡流发生器所在位置处无控制时的边界层厚度B，所述涡流发生器尾缘高度H与其所在位置处无控制时的边界层厚度B成正比，Η/Β=0.3?0.8 ;所述涡流发生器所在位置处无控制时的边界层厚度B是指该位置没有设置涡流发生器时的边界层厚度。
2.根据权利要求1所述的涡流发生器结构，其特征是:所述涡流发生器的前缘宽度W与其尾缘高度H成正比，二者的比值为2?4。
3.根据权利要求1或2所述的涡流发生器结构，其特征是:所述涡流发生器沿流向长度L与其尾缘高度H成正比，二者的比值为5?10。
4.根据权利要求1至3所述的涡流发生器结构，其特征是:所述涡流发生器的尾缘高度H与其所在位置处的激波边界层厚度B成正比，二者的比值为0.3?0.8。
5.根据权利要求1至4所述的涡流发生器结构，其特征是:所述涡流发生器设置于激波边界层干涉区上游，与干涉区前缘所在位置的距离正比于所述涡流发生器所在位置处的边界层厚度B，比值为15-30。
6.根据权利要求1至5所述的涡流发生器结构，其特征是:所述涡流发生器结构，包括多个涡流发生器，所述多个涡流发生器平行排列且前缘基本位于同一直线上，构成涡流发生器排。
7.根据权利要求1至6所述的涡流发生器结构，其特征是:所述多个涡流发生器均匀安装在工作表面上，相邻两涡流发生器之间的间距S基本相同。
8.根据权利要求1至7所述的涡流发生器结构，其特征是:相邻两涡流发生器之间的间距S与涡流发生器的尾缘高度H成正比，二者的比值为6?10。
【文档编号】F15D1/06GK103711753SQ201310752537
【公开日】2014年4月9日 申请日期:2013年12月31日 优先权日:2013年12月31日
【发明者】赵庆军, 孙小磊, 项效镕, 徐建中 申请人:中国科学院工程热物理研究所