一种超声速流场中的附面层快速发展装置及方法与流程

本发明属于航空航天飞行器高超进排气系统技术领域，具体涉及一种超声速流场中的附面层快速发展装置及方法。

背景技术：

流体都存在一定大小的粘性，这是附面层存在的根本原因。利用流体与壁面的粘性相互作用，使靠近壁面流体减速是最常规的附面层模拟方法之一。该方法能很好的模拟附面层，且对主流影响较小，但由于其仅依赖粘性作用，附面层发展速度较为缓慢，效率较低。文献Robert M.Lation,Rodney D W.Bowersox.Flow Properties of a Supersonic Turbulent Boundary Layer with Wall Roughness.AIAA Journal,Vol.38,No.10,October 2000:1804-1821.对有粗糙度平板的附面层进行了详尽研究，流体经过带粗糙度的平板的附面层发展速度略高于光滑平板。而在某种特殊情况需要限制模型尺寸时，以上较为常见的附面层发展方式局限性在对高超声速附面层模拟时更为明显。为此，迫切需要一种新的附面层模拟方法。

技术实现要素：

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种超声速流场中的附面层快速发展装置，利用埋于附面层内多级斜楔产生的连续激波逐步降低壁面附近气流速度和总压，从而快速发展附面层的方法。能较为准确的模拟附面层厚度和截面马赫数分布趋势，且尺寸较小，附面层模拟效率较高，具有较好的研究价值和实用潜力。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种超声速流场中的附面层快速发展装置，喷管与附面层依次串联，所述附面层上壁面和两侧壁面为平面且与对应的喷管壁面在同一平面上；串联的若干级斜楔均匀设置，形成多级斜楔组埋于所述附面层内下壁面，所述斜楔组的最高点连线与气流方向呈一角度为增长角IA；气流来流方向与所述多级斜楔组的楔前水平壁面法线方向垂直。

进一步的，所述多级斜楔组的设计参数包括：

(1)布置方式，即多级斜楔组是埋入壁面还是突出壁面，以突出壁面高度h与来流附面层厚度δ_2-0的比值来衡量，h/δ_2-0>0时斜楔突出壁面，h/δ_2-0>0时斜楔埋入壁面；

(2)增长角IA为0°～2°；

(3)斜楔个数。斜楔数目增加，单位长度附面层厚度先急剧增大而后增加缓慢，出口流场畸变随数目增加成线性增长，根据这两个因素选取合适的斜楔个数。

进一步的，所述斜楔的设计参数包括斜楔角度α，斜楔无量纲高度H_n，H_n为斜楔几何高度与来流附面层动量损失厚度的比值。

一种超声速流场中的附面层快速发展装置的方法，利用气流流经埋于附面层内的多级斜楔组，产生连续的激波和膨胀波，在所述激波和膨胀波的联合作用下，所述激波使近壁面气流减速，能量损失，附面层发展。

进一步的，包括如下步骤：

1)在附面层发展至斜楔近壁处，气流流经斜楔顶部时在斜楔顶点产生膨胀波扇，气流经过所述膨胀波扇速度增加，总压不变；

2)经过膨胀波扇后的气流方向与斜楔楔面不平行，斜楔楔面对气流存在压缩角，产生一斜激波；

3)气流穿过斜激波后，气流方向与楔面平行，速度减小，总压减小，并在楔面粘性作用下进一步降低近壁面处气流马赫数，附面层增厚；

至此，单个斜楔完成了对附面层发展周期；

4)气流流经斜楔顶部时，下一个附面层发展周期开始。

进一步的，近壁处的气流在激波的作用下，总压减小，能量损失增大，促进附面层发展，同时斜楔末端产生的膨胀波削弱了激波对气流的影响，抑制了气流参数的变化。

进一步的，流场数值计算采用Fluent商用软件进行。对比附面层模拟段出口与目标流场参数是否趋于一致。

有益效果：本发明提供的超声速流场中的附面层快速发展装置及方法，较为准确的模拟附面层厚度和出口截面马赫数分布趋势，尺寸较小，附面层模拟效率较高。通过附面层发展斜楔后的马赫数分布在主流基本一致，附面层厚度也相当。

附图说明

图1为附面层发展斜楔示意图；

图2为计算域结构示意图；

图3附面层模拟示意图

图4不同附面层模拟板下、马赫数分布相似位置时模拟板长度。

图中：1-喷管附面层模拟，2-远场边界，3-斜楔附面层模拟，4-附面层模拟段出口，5-压力出口，6-压力进口，7-喷管，8-喷管出口，9-附面层模拟装置，10-匹配点。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

本发明为一种超声速流场中的附面层快速发展装置及方法，利用气流流经埋于附面层内多级斜楔产生的连续激波逐步降低壁面附近气流速度和总压，从而快速发展附面层的方法。气流流经多级斜楔，产生了连续的激波膨胀波，在激波和膨胀波的联合作用下，附面层快速发展。针对目标流场进行附面层模拟的数值仿真研究，比较附面层模拟段出口参数与目标流场参数是否趋于一致。该方法能够较为准确的模拟附面层厚度和目标马赫数分布趋势，比起常见的附面层发展方式具有尺寸较小，附面层模拟效率也较高的优点。具有较好的实用潜力。

本发明的利用气流流经埋于附面层内多级斜楔快速发展附面层的方法，具体包括如下步骤：

斜楔产生的激波使近壁面气流减速，能量损失，附面层快速发展，这是多级斜楔快速发展附面层的基本原理。附面层模拟段上壁面和两侧壁面为平面且与对应喷管壁面在同一平面上。串联斜楔组埋于附面层内，同时将多个斜楔最高点的连线与气流方向呈一角度布置，该角度用增长角IA表示即气流流经斜楔时附面层快速发展，为了抵消附面层逐渐增加导致单个斜楔的气动压缩角相应减小引起的斜楔组效率降低的影响，将多个斜楔最高点排列连线与气流方向呈一角度，将该角度称之为增长角IA，可取0°-2°。

气流来流方向与楔前水平壁面法线方向垂直。在附面层发展斜楔近壁处，气流流经斜楔顶部时在斜楔顶点处产生膨胀波扇，气流经过膨胀波扇速度略有增加，总压不变；经过膨胀波扇后的气流与斜楔楔面不平行，斜楔楔面对气流存在压缩角，压缩角大小由实际情况下气流速度，气流偏转角度等因素而定，并产生一斜激波；穿过斜激波后，气流方向与楔面平行，速度减小，总压减小，并在楔面粘性作用下进一步降低近壁面处气流马赫数，附面层增厚；至此，单个斜楔完成了对附面层发展周期。

气流流经斜楔顶部时，下一个附面层发展周期开始。近壁处的气流在激波的作用下，总压减小，能量损失增大，加快附面层发展，同时斜楔末端产生的膨胀波削弱了激波对主流的影响，抑制了主流参数的变化。流场数值计算采用Fluent商用软件进行。对比附面层模拟段出口与目标流场参数是否趋于一致。

实施例

如图1计算模型示意图，图2计算域结构示意图，图3附面层模拟示意图。在图2计算域结构示意图中，斜楔附面层模拟3前有一光滑平板用于模拟喷管出口8附面层和改变来流非均匀性。其作用相当于图3中的部件喷管7，用于模拟喷管出口附面层和改变来流非均匀性。此光滑平板是指图2计算域结构示意图中部件喷管附面层模拟1，作用相当于图3附面层模拟示意图中的部件喷管7，是为了使数值模拟更接近真实情况才用到的，实际装置中不需要此光滑平板。远场边界2是数值模拟计算中给定的边界条件，压力出口5是数值模拟计算中的压力出口边界，压力进口6是喷管前的进口边界，7是喷管使气流速度达到需要的值。多级斜楔板共7级，斜楔高度H_n＝5.00(无量纲高度)，α＝7°，h/δ_2-0＝0，IA＝0°。同时采用另外两种即砂纸板和光滑平板发展附面层方法来作为对比，其中砂纸板平均粗糙度为0.6mm。与喷管出口8相连接的为附面层模拟段。喷管出口8气流附面层在附面层模拟段内进一步发展，直到某一位置马赫数分布与给定的目标分布相似。结果得到光滑平板下发展的附面层与目标基本一致，马赫数分布曲线基本重合；砂纸板的发展的附面层厚度与目标相当，在附面层内马赫数分布与目标略有差异，速度梯度偏大；通过附面层发展斜楔后的马赫数分布在主流基本一致，附面层厚度也相当，速度梯度小于砂纸板。

本实施例提供的超声速流场中的附面层快速发展装置，较为准确的模拟附面层厚度和附面层模拟段出口4截面马赫数分布趋势，尺寸较小，附面层模拟效率较高。如图3为附面层模拟装置9示意图，喷管出口连接的是附面层发展段，匹配点10与进气道唇口主流参数相当，在砂纸板平均粗糙度为0.6mm，多级斜楔板共7级，斜楔高度H_n＝5.00，α＝7°，h/δ_2-0＝0，IA＝0°，与喷管出口8相连接的为附面层模拟段条件下，通过实验给出了如图4所示的不同模拟板下发展相当厚度的附面层所需要的模拟板长度对比，以实际进气道唇口截面为参考，发展相同厚度的附面层，需要斜楔板最短，所需光滑平板和砂纸板长度分别为斜楔板的2.66和2.45倍，由进气道的对比参考值可以发现几种附面层发展装置哪一种更接近目标流场，在同样可以反映真实流畅的情况下可以选取最优方法，即本发明中的多级斜楔快速发展附面层装置。砂纸板和光滑平板所需尺寸过大，而斜楔板不仅尺寸较小而且能较为准确的模拟附面层厚度和截面马赫数分布趋势。通过附面层发展斜楔后的马赫数分布在主流基本一致，附面层厚度也相当。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。