一种多孔表面延迟高超声速边界层转捩的布置方法与流程

本发明涉及一种多孔表面延迟高超声速边界层转捩的布置方法，属于高超声速飞行器。

背景技术：

1、高超声速飞行器作为21世纪航空航天技术领域的新制高点，是世界各国的重要战略需求之一。其中，边界层转捩及湍流问题成为了高超声速飞行器领域不可避免的重点和难点之一。

2、高超声速边界层转捩问题是制约飞行器设计的关键基础问题，也是航空航天大国当前极为关注的问题。美国的空军科学研究办公室(arosr)专门发起了高超声速边界层转捩飞行试验项目(bolt)；美国国家高超声速基础研究计划(nhfrp)中明确将高超声速边界层控制列入长期重点计划中，通过hifire等一系列型号的研究，最终就是要解决nhfrp计划中的边界层转捩相关的科学问题。此外，欧洲和日本也分别制定了高超声速边界层转捩研究计划，均取得了不同程度的进展。

3、边界层转捩指边界层流动从层流状态发展为湍流状态，是多因素耦合影响的强非线性复杂流动物理现象。对于高超声速飞行器，边界层转捩的影响将更加突出，在高超声速飞行过程中，飞行器表面微小扰动会加速诱导边界层转捩，导致飞行器摩擦阻力和表面热流剧烈增加，甚至最终导致飞行事故。延迟高超声速边界层转捩能够减小飞行器热防护系统的重量和复杂度，降低能耗和成本。

4、对于飞行器而言，尤其是高超声速飞行器，气动外形、飞行器质量和表面平滑度等都具有较高的要求，同时要求飞行器材料具有高强度、高韧性、质量轻以及高温环境耐久性好的防热设计，因此对边界层转捩延迟技术的应用有更高的需求。

5、由于延迟高超声速边界层转捩的需求，关于多孔表面的研究迅速展开。已有研究主要集中在多孔表面对第二模态不稳定性抑制特性的研究、多孔表面对第二模态抑制的参数影响以及多孔表面优化设计等。多孔表面的放置位置会影响其抑制第二模态的效果，但是目前没有针对多孔表面放置位置展开深入研究。没有在理论分析的基础上，提出合理的放置多孔表面的方法。

6、边界层转捩后的湍流边界层会增加飞行器表面的摩擦阻力和热载荷。对于高超声速飞行器而言，飞行器表面的热防护问题更加突出，因此推迟边界层转捩的发生，实现飞行器降热减阻，是各国航空航天领域研究的一项重要内容。

技术实现思路

1、本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种多孔表面延迟高超声速边界层转捩的定量布置方法，能够更好的发挥多孔表面抑制不稳定扰动增长的作用，延迟高超声速边界层转捩，提升高超声速飞行器性能。

2、本发明的技术解决方案是：

3、本发明公开了一种多孔表面延迟高超声速边界层转捩的布置方法，包含以下步骤：

4、通过数值模拟，获取无孔平板表面的高超声速边界层来流的温度型和速度型；

5、在无孔平板前缘添加随机扰动；

6、将所述来流的温度型和速度型作为初始值，计算所述随机扰动沿流向的增长率；

7、根据所述随机扰动沿流向的增长率，获得增长率最大的平板流向位置；

8、将多孔表面放置在所述增长率最大的平板流向位置上。

9、进一步地，在上述布置方法中，所述随机扰动为周期性吹吸气扰动。

10、进一步地，在上述布置方法中，所述周期性吹吸气扰动的振幅为来流速度的千分之一。

11、进一步地，在上述布置方法中，所述获取无孔平板表面的高超声速边界层来流的温度型和速度型，具体为：获取无孔平板表面的高超声速边界层来流流向各个位置速度和温度沿壁面法向的分布。

12、进一步地，在上述布置方法中，所述在无孔平板前缘添加随机扰动，具体为：

13、vw＝qw/ρw

14、

15、

16、其中，vw为无量纲壁面法向速度，qw是壁面法向方向的无量纲质量流量，ρw为当地壁面位置密度，ε为脉动振幅，x1为壁面吹起起始位置，x2为壁面吹起结束位置，f为添加的吹吸气无量纲频率，f*为有量纲的周期性吹吸气频率，l*为特征长度，u∞*为有量纲来流速度。

17、进一步地，在上述布置方法中，所述将来流的温度型和速度型作为初始值，计算随机扰动沿流向的增长率，具体为：

18、记录壁面位置压力脉动值；

19、计算沿流向各壁面位置压力脉动值的绝对值的最大值|p(x)|max；

20、计算最大值|p(x)|max沿x方向的导数(|p(x)|max)'，得到增长率。

21、进一步地，在上述布置方法中，所述根据所述随机扰动沿流向的增长率，获得增长率最大的平板流向位置，具体为：

22、最大值|p(x)|max沿x方向的导数(|p(x)|max)'的最大值max(|p(x)|max)'对应的流向位置x为增长率最大的平板流向位置。

23、进一步地，在上述布置方法中，所述多孔表面为一种由规则或随机分布的开孔构成的薄层。

24、进一步地，在上述布置方法中，所述开孔的开孔率和宽深比为：

25、φ＝2b/s

26、ar＝2b/h

27、其中，φ为开孔率，ar为宽深比，b为最大开孔半宽，2b为开孔宽度，s为开孔周期，h为开孔深度。

28、进一步地，在上述布置方法中，所述开孔的开孔率0.2≤φ≤0.8，开孔的宽深比0.3≤ar≤1.0。

29、本发明与现有技术的有益效果在于：

30、(1)本发明基于理论分析，采用定量分析的方法提出了布置多孔表面的方法，相比之前仅凭经验放置多孔表面，提高了多孔表面抑制不稳定扰动的效率。

31、(2)本发明提出的多孔表面延迟高超声速边界层转捩的布置方法可以应用与对外形要求较高的可重复使用的面对称高超声速飞行器上，不增加飞行器重量、不破坏飞行器气动外形，通过有效的延迟边界层转捩，减小高超声速飞行器的热载和气动阻力。

32、(3)本发明提出的布置方法能够提高多孔表面抑制不稳定扰动的增长，进而延迟边界层转捩，减少飞行器热防护系统的重量，提高飞行速度、增大航程以及扩大飞行器的飞行走廊，提升飞行器的飞行性能。

技术特征：

1.一种多孔表面延迟高超声速边界层转捩的布置方法，其特征在于，包含以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种多孔表面延迟高超声速边界层转捩的布置方法，其特征在于：所述随机扰动为周期性吹吸气扰动。

3.根据权利要求2所述的一种多孔表面延迟高超声速边界层转捩的布置方法，其特征在于：所述周期性吹吸气扰动的振幅为来流速度的千分之一。

4.根据权利要求1所述的一种多孔表面延迟高超声速边界层转捩的布置方法，其特征在于：所述获取无孔平板表面的高超声速边界层来流的温度型和速度型，具体为：获取无孔平板表面的高超声速边界层来流流向各个位置速度和温度沿壁面法向的分布。

5.根据权利要求2所述的一种多孔表面延迟高超声速边界层转捩的布置方法，其特征在于：所述在无孔平板前缘添加随机扰动，具体为：

6.根据权利要求1所述的一种多孔表面延迟高超声速边界层转捩的布置方法，其特征在于：所述将来流的温度型和速度型作为初始值，计算随机扰动沿流向的增长率，具体为：

7.根据权利要求6所述的一种多孔表面延迟高超声速边界层转捩的布置方法，其特征在于：所述根据所述随机扰动沿流向的增长率，获得增长率最大的平板流向位置，具体为：

8.根据权利要求1所述的一种多孔表面延迟高超声速边界层转捩的布置方法，其特征在于：所述多孔表面为一种由规则或随机分布的开孔构成的薄层。

9.根据权利要求1所述的一种多孔表面延迟高超声速边界层转捩的布置方法，其特征在于：所述开孔的开孔率和宽深比为：

10.根据权利要求8所述的一种多孔表面延迟高超声速边界层转捩的布置方法，其特征在于：所述开孔的开孔率0.2≤φ≤0.8，开孔的宽深比0.3≤ar≤1.0。

技术总结
本发明公开了一种多孔表面延迟高超声速边界层转捩的布置方法，包含以下步骤：通过数值模拟，获取无孔平板表面的高超声速边界层来流的温度型和速度型；在无孔平板前缘添加随机扰动；将所述来流的温度型和速度型作为初始值，计算所述随机扰动沿流向的增长率；根据所述随机扰动沿流向的增长率，获得增长率最大的平板流向位置；将多孔表面放置在所述增长率最大的平板流向位置上。

技术研发人员：杨家骥,吕鹏,张玉东,张振,陈杰
受保护的技术使用者：中国航天空气动力技术研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/4/17