一种抑制剪切流动密度脉动的控制装置的制作方法

本发明涉及一种抑制剪切流动密度脉动的控制装置，特别是一种布置在两股气流的隔板，能够引进有益的三维扰动，从而达到加快转捩，降低自由剪切或受限剪切流动中的高湍流强度和强密度脉动，从而改善流场品质，使得流场密度均匀化。

背景技术：

自由或受限剪切流动为工程应用领域中一种常见的流动类型，多见于发动机内部的燃料混合等领域。由两股不同速度的气流经隔板后形成的剪切流动由于kelvin-helmholtz不稳定性，流场易形成展向的大尺度涡结构，剪切层中的二次不稳定性使得流动展向失稳，流动形成由层流、失稳、转捩为湍流的过程。从而使得流场中的密度分布不均匀，对于燃料与空气的混合，还会影响燃料的燃烧效率和释热效果。

如图6所示为自由剪切流动的流场特征图，为使得剪切流动混合的更加充分、降低流场中的密度不均匀性，必须采用流动控制的手段进行控制。常见的流动控制技术包括主动控制和被动控制，主动控制主要有吹吸气、零质量射流等，被动控制技术包括改变隔板形状、布置突起物等。本发明通过在两股气流的隔板上游布置一种被动形式的粗糙带，实现隔板后的剪切流动为充分发展的湍流状态，有效抑制流场中的密度脉动。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种抑制剪切流动密度脉动的控制装置，通过易于加工且具有简单几何外形的孤立粗糙单元及其组成的粗糙带，利用其在隔板上游引起三维扰动，可以促进两股气流形成的剪切流动快速转捩，并在较宽马赫数来流范围内，实现降低流场中的密度脉动和提高流场均匀性的功能。

本发明的技术解决方案是：一种抑制剪切流动密度脉动的控制装置，包括在两股气流的隔板表面设置粗糙带，产生流向尾涡，促进剪切流动快速转捩，抑制剪切流动的密度脉动强度，增强流场均匀性。

所述的粗糙带通过螺钉或者粘合剂，镶嵌或粘接在飞行器表面。

所述的粗糙带包括多个粗糙元，多个粗糙元沿垂直于流向的方向等间距排列。

所述的粗糙元与粗糙带基座为一体加工，或者将粗糙带基座和粗糙元分别加工，然后将粗糙元固定在粗糙带基座上。

所述的粗糙元的外形为后掠斜坡类菱形柱，其中，后掠斜坡类菱形柱的俯视图为类菱形，高度方向上的切面形式为斜切。

所述的后掠斜坡类菱形柱斜切形成的斜面朝向来流方向，斜切角度≤45°。

所述的粗糙单元的最大高度h≥0.3δ，δ为当地边界层厚度。

所述的粗糙元沿展向的最大尺寸l1满足0.3δ<l1<1.8δ。

所述的粗糙元的后缘宽度l2满足0.1δ<l2<0.8δ。

所述的粗糙元与相邻粗糙元沿展向的间距w满足0.3δ<w<1.8δ。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明通过两股气流的隔板表面布置的孤立式粗糙元，产生的稳定流向尾涡引进三维扰动，利用该三维扰动促进两股气流形成的剪切流动的非线性作用，促进剪切流动快速转捩；

(2)本发明通过两股气流的隔板表面布置的孤立式粗糙元，降低流场中的密度脉动强度，增强流场密度的均匀性，实现改善流场品质的功能；

(3)本发明能够适用于超声速/高超声速流动，由于其结构特征，有利于在较宽的马赫数范围产生控制效果，适用的马赫数范围更大，能在几乎不改变外形、不施加额外能量和不增加附加设备的条件下，有效抑制流场中的密度脉动，改善流场品质。

附图说明

图1为抑制剪切流动密度脉动的控制装置的安装位置示意图；

图2为抑制剪切流动密度脉动的控制装置的粗糙带示意图；

图3为斜坡形粗糙元尺寸参数、斜坡角度示意图；

图4为为粗糙带的三视图；

图5为来流条件分别为ma＝6/ma＝3时，在隔壁表面布置所述粗糙带后的数值计算结果；

图6为自由剪切流动的流场特征图；

图7为来流条件分别ma＝6/ma＝3时，在中国航天空气动力技术研究院fd-20风洞，通过流场显式获得的流场图像，即波前畸变量平均波前的空间分布图，(a)为无控制图，(b)为有本发明控制装置图；

图8为来流条件分别ma＝6/ma＝3时，在中国航天空气动力技术研究院fd-20风洞，通过光学试验获得的密度脉动改善效果的试验验证结果，即波前畸变量平均波前的空间分布图，(a)为无控制装置；(b)为布置本发明的控制装置；

图9为抑制剪切流动密度脉动的控制装置。

具体实施方式

本发明根据孤立粗糙元在边界层中流动的特点，提出利用孤立粗糙元在两股气流的隔板产生的流向尾涡，促进剪切流动快速转捩；利用该装置产生的尾涡，可实现抑制剪切流动的密度脉动强度，从而改善流场品质。基于该原理提出了一种抑制剪切流动密度脉动的控制装置。具体表述为：利用类棱柱可以产生稳定尾涡的构形，且高度不小于0.3倍当地边界层名义厚度的孤立粗糙元，实现上述两方面功能，进而达到降低密度脉动、增强流场均匀性的目的。

如图1所示，本发明提出了一种抑制剪切流动密度脉动的控制装置，在两股气流的隔板表面设置粗糙带1，实现降低剪切流动密度脉动强度的功能。粗糙带1可以通过螺钉，也可通过粘合剂，镶嵌或粘接在飞行器部分表面。

如图1所示，粗糙带设置在两股气流的隔板表面，即图1中的1区。

如图2所示，粗糙带1由多个粗糙元组成，多个粗糙元沿垂直于流向的方向等间距排列。

单个粗糙元的外形为后掠斜坡类菱形柱；斜坡类菱形柱是指其俯视图外形形状为类菱形，其高度方向上的切面形式为斜切。所述斜切形成的斜面朝向来流方向，斜切角度≤45°。

粗糙元与粗糙带基座可以为一体加工，即粗糙带基座和粗糙元为一个整体，也可以将粗糙带基座和粗糙元分别加工，然后将粗糙元固定在粗糙带基座上。

如图3所示，定义了粗糙元的五个参数，即粗糙元的前缘宽度、后缘宽度、高度及扩张角度、粗糙单元之间的展向间距。粗糙元最大高度h≥0.3δ，δ为当地边界层厚度，粗糙元沿展向的最大尺寸满足关系0.3δ<l1<1.8δ，相邻两个粗糙元沿展向的间距满足关系0.3δ<w<1.8δ。

如图3所示，斜坡形粗糙元的斜坡角度θ≤45°，斜坡面为面流场方向。

如图4所示，为粗糙带的三视图。

如图5所示，给出的是控制效果的数值验证。计算条件为来流马赫数ma＝6/ma＝3，展向布置孤立式粗糙元组成的粗糙带；计算结果表明，粗糙带能够有效地促使剪切流动的快速发展。

为验证本发明改善流场中密度脉动的效果，在中国航天空气动力技术研究院开展了基于光学测量的试验验证。图6给出的是在中国航天空气动力技术研究院fd-20风洞开展的试验验证所采用的试验模型。图中给出了孤立式粗糙单元的实物形式。

如图7所示，给出的是有无控制装置，通过piv流场显式技术获得的流场图像，从中可定性的观察到，本发明能够使得流场更加均匀。

由于密度脉动无法通过试验直接测量，可以通过光学测量方式进行验证。验证原理为，光束穿过流场后会发生光学畸变，流场越均匀光学畸变量越小。常用于刻画光学畸变的物理量包括平均波前、pv值和rms值。如图8所示为有无控制装置，光学传输测量的试验测量结果，其中所列出的为光学畸变量平均波前的空间分布。从图中可见，布置本发明所述改善气动光学效应的控制装置后，光学畸变明显下降。其观测流场的平均波前统计平均值由1.244下降为0.9652，改善量约为22.4％，证明了本发明抑制剪切流场密度脉动的有效性。

如图9所示为抑制剪切流动密度脉动的控制装置，本发明根据工程需求，提出了一种基于粗糙单元在剪切流动上游引进三维扰动的控制装置，该装置能够：1)层流状态下，有效的促进两股气流在隔板后形成的剪切流动的快速发展为湍流状态；2)湍流条件下，有效的抑制两股气流在隔板后形成的剪切流动中的强密度脉动，使得密度场均匀化。根据我们的数值模拟和光学试验测量，可以确认本专利提出的一种抑制剪切流动密度脉动的控制装置可以实现上述两个功能。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。