超声速流道中辅助边界层抽吸方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及流动控制领域，特别地，涉及一种高速飞行器推进系统内部超声速流道中辅助边界层抽吸方法。
【背景技术】
[0002]边界层分离是从普通低速飞行器到超声速、高超声速飞行器气动表面及发动机内流道中存在的普遍现象。边界层分离的出现通常造成飞行器气动阻力的迅速增加以及升力特性的急剧恶化，大尺度的非定常流动分离可加剧机体结构的疲劳和破坏。超声速及高超声速飞行器内流道中激波与边界层相互作用诱发的大尺度边界层分离是飞行器进气道性能不足甚至无法启动的重要原因。因而边界层分离抑制是当前超声速、高超声速飞行设计中需要解决的重要问题。目前边界层抽吸是飞行器设计中主流的边界层流动控制手段。近壁区边界层流体速度从壁面向外逐渐由零增大至主流速度，工程应用中期望通过流动控制技术将其底层一部分低速、低能流体抽除以提高边界层的整体动量水平，进而提高边界层抗反压能力，从而达到抑制或减弱壁面分离的效果，而与此同时尽可能保留其上层高速部分以降低流量损失。
[0003]然而实际应用中发现在超声速和高超声速飞行器内流道中激波诱导的逆压梯度及由此造成的边界层分离通常较为强烈。为保证进气道能够顺利启动，通常需要抽吸掉很大一部分捕获流量(甚至到20%)才能起到明显的控制效果。这对进气道捕获流量造成了极大浪费，严重制约了高速飞行器推进系统的整体性能。然而，事实上超声速边界层中底层低速区仅占整个边界层厚度的很小一部分，通常在距离壁面10%边界层厚度高度位置上流体平均速度已达主流速度的70 %以上，加之超声速边界层底层温度较高、密度较小，在边界层抽吸控制中真正需要抽除的底层低速流体实际仅占边界层质量流量的很小一部分。问题在于传统的壁面开孔、开槽抽等边界层抽吸方式中，抽除掉的大部分气体流量实际来源于被误抽除的外部高速气流。这是由于传统的边界层抽吸方法对边界层流体进行的是无差别抽吸，即对抽吸孔(或槽)位置附近的高、底层低速流体均进行抽吸，而对远离抽吸孔位置的边界层中底层低速流体抽除效果却较差。在此状况下，为达到特定的边界层抽吸控制效果不得不增大整体的抽吸量，从而抽除了抽吸孔附近相当一部分高速流，造成有效捕获流量的极大浪费，并降低了发动机整体性能。
【发明内容】
[0004]本发明提供了一种超声速流道中辅助边界层抽吸方法，以解决传统的壁面开孔、开槽等直接边界层抽吸方式存在的抽吸效果差、有效捕获流量浪费严重、制约发动机整体性能提升的技术问题。
[0005]本发明提供一种超声速流道中辅助边界层抽吸方法，超声速流道中近壁区边界层内流体速度从壁面向外逐渐由零增大至超声速主流速度，超声速流道中靠近壁面的区域为边界层流体，边界层流体中紧邻壁面的流体为底层低速流体，边界层流体中靠近超声速主流部分的流体为上层高速流体，将微型涡流发生器设于边界层内部，以通过流动控制技术将边界层的底层低速流体抽除，避免因边界层的底层低速流体的速度和能量过低而引发大尺度流动分离，同时保留边界层上层高速流体，以减低流量损失。
[0006]进一步地，流动控制技术包括:通过微型涡流发生器使包含有边界层流体在内的上游来流在向下游流动的同时随微型涡流发生器表面逐渐抬升；通过在微型涡流发生器上表面两侧设置后掠边缘，以使移动至后掠边缘的边界层中底层低速流体发生脱落并形成富含底层低速流体的流向涡，从而达到底层低速流体收集的目的；流向涡在边界层上层高速流体带动下沿微型涡流发生器的两侧侧壁运动至微型涡流发生器的尾部；通过在微型涡流发生器尾部设置流体抽吸装置，以抽除传递至微型涡流发生器尾部的富含底层低速流体的流向涡，从而达到集中抽除边界层中底层低速流体的目的。
[0007]进一步地，运动至微型涡流发生器两侧后掠边缘附近的边界层中上层高速流体在膨胀波作用下仅发生流体方向的偏折而不脱落，从而绕过微型涡流发生器继续向下游流动而不被误抽除。
[0008]进一步地，微型涡流发生器采用后掠三角翼构型的微型涡流发生器；后掠三角翼具有一条来流边，来流边垂直于边界层流体的来流方向布置，与来流边相对应的后掠三角翼的顶角朝向边界层流体的流动下游方向布置。
[0009]进一步地，微型涡流发生器以阵列形式紧密排列布置于超声速流道的壁面上。
[0010]进一步地，边界层中底层低速流体与上层高速流体之间的分隔界线由来流条件以及微型涡流发生器结构特性决定。
[0011]进一步地，后掠三角翼的垂直高度h小于边界层厚度δ，以将微型涡流发生器的作用区域控制在来流边界层流体内部，从而降低边界层流体在流动控制过程中引入的额外气动阻力。
[0012]进一步地，通过改变微型涡流发生器的侧边弦长C以及微型涡流发生器的半顶角角度Αρ，以改变对边界层流体边界层中底层低速流体和上层高速流体的划分界线，进而改变被收集的边界层中底层低速流体所占边界层流体的比例，从而实现对最终被抽吸装置抽除的边界层中底层低速流体流量的控制。
[0013]进一步地，通过微型涡流发生器的半顶角角度调整后掠边缘的后掠角的角度，以调整垂直于后掠边缘方向上的速度分量和垂直马赫数分量；以垂直马赫数分量大于1.0为界线，以保证后掠边缘附近的上层高速流体中膨胀波的存在，并且以此作为上层高速流体与底层低速流体的划分标准。
[0014]进一步地，抽吸装置的抽吸口采用可避免微型涡流发生器尾部出现明显流体分离的外大内小的漏斗状结构。
[0015]进一步地，抽吸口的外口直径与流向涡的直径相匹配，以保证被收集的底层低速流体可被迅速、有效抽除。
[0016]本发明具有以下有益效果:
[0017]利用微型涡流发生器独特的底层低速流体收集效应对需抽除的超声速边界层底层低速流体进行预先收集，从而实现精确、高效的边界层抽除。与传统的无差别壁面边界层抽吸方式相比，在抽除边界层底层低速流体的同时可保证边界层上层高速流体不受影响，因而在达到同样的边界层流体动量恢复水平的前提下，需要抽除的流体质量流量大大减小，质量流量损失甚至可以忽略，从而以较低的代价显著提高边界层整体动量水平，提高边界层抗反压能力，抑制边界层分离。因而本发明将显著提高壁面边界层控制的效率，并减小因壁面抽吸造成的质量流量损失，可显著改善高超声速/高超声速飞行器进气道启动性能及整个推进系统性能。
[0018]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。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
【附图说明】
[0019]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:
[0020]图1是本发明优选实施例的超声速流道中辅助边界层抽吸方法的工作原理图；
[0021]图2是本发明优选实施例的微型涡流发生器构型示意图；
[0022]图3是本发明优选实施例的微型涡流发生器侧边缘附近流体速度分解示意图。
[0023]图例说明:
[0024]1、边界层流体；2、微型涡流发生器；3、底层低速流体；4、上层高速流体；5、流向涡；6、抽吸口 ；7、抽吸装置。
【具体实施方式】
[0025]以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由所限定和覆盖的多种不同方式实施。
[0026]图1是本发明优选实施例的超声速流道中辅助边界层抽吸方法的工作原理图；图2是本发明优选实施例的微型涡流发生器构型示意图；图3是本发明优选实施例的微型涡流发生器侧边缘附近流体速度分解示意图。
[0027]如图1所示，本实施例的超声速流道中辅助边界层抽吸方法，超声速流道中近壁区边界层内流体速度从壁面向外逐渐由零增大至超声速主流速度，超声速流道中靠近壁面的区域为边界层流体1，边界层流体1中紧邻壁面的流体为底层低速流体3，边界层流体1中靠近超声速主流部分的流体为上层高速流体4，将微型涡流发生器2设于边界层内部，以通过流动控制技术将边界层的底层低速流体3抽除，避免因边界层的底层低速流体3的速度和能量过低而引发大尺度流动分离，同时保留边界层上层高速流体4，以减低流量损失。利用微型涡流发生器独特的底层低速流体收集效应对需抽除的超声速边界层底层低速流体进行预先收集，从而实现精确、高效的边界层抽除。与传统的无差别壁面边界层抽吸方式相比，在抽除边界层底层低速流体的同时可保证边界层上层高速流体不受影响，因而在达到同样的边界层流体动量恢复水平的前提下，需要抽除的流体质量流量大大减小，质量流量损失甚至可以忽略，从而以较低的代价显著提高边界层整体动量水平，提高边界层抗反压能力，抑制边界层分离。因而本发明将显著提高壁面边界层控制的效率，并减小因壁面抽吸造成的质量流量损失，可显著改善高超声速/高超声速飞行器进气道启动性能及整个推进系统性能。
[0028]如图1、图2和图3所示，本实施例中，流动控制技术包括:通过微型涡流发生器2使包含有边界层流体1在内的上游来流在向下游流动的同时随微型涡流发生器2表面逐渐抬升；通过在微型涡流发生器2上表面两侧设置后掠边缘，以使移动至后掠边缘的边界层底层低速流体3发生脱落并形成富含底层低速流体3的流向涡5，从而达到底层低速流体3收集的目的；流向涡5在边界层上层高速流体4带动下沿微型涡流发生器2的两侧侧壁运动至微型涡流发生器2的尾部；通过在微型涡流发生器2尾部设置流体抽吸装置7，以抽除传递至微型涡流发生器2尾部的富含底层低速流体3的流向涡5，从而达到集中抽除边界层中底层低速流体3的目的。
[0029]本实施例的超声速