[發(fā)明專利]控制高馬赫數(shù)激波與附面層干擾流動(dòng)分離的裝置

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310282649.2
• 申請(qǐng)日: 2013-07-05
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN103303469A
• 公開(kāi)（公告）日: 2013-09-18
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李偉鵬
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 上海交通大學(xué)
• 主分類號(hào): B64C23/06
• 分類號(hào): B64C23/06
• 代理公司: 上海交達(dá)專利事務(wù)所 31201
• 代理人: 王毓理;王錫麟

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及的是一種在高超聲速飛行器技術(shù)領(lǐng)域中，控制激波與附面層干擾流動(dòng)分離的裝置，具體是一種分流式、帶有復(fù)合渦流發(fā)生器的控制高馬赫數(shù)激波與附面層干擾流動(dòng)分離的裝置。

背景技術(shù)

高超聲速飛行器是實(shí)現(xiàn)軍事快速打擊、快速反應(yīng)的戰(zhàn)略裝備之一，近年來(lái)頗受國(guó)內(nèi)外研究人員的關(guān)注。激波與附面層干擾廣泛存在于高超聲飛行器的內(nèi)流和外流中，當(dāng)飛行器在高馬赫數(shù)飛行時(shí)，強(qiáng)激波與附面層干擾常常導(dǎo)致附面層的大尺度流動(dòng)分離，伴隨產(chǎn)生較強(qiáng)的附加阻力與總壓損失，同時(shí)激波后的湍流強(qiáng)度和導(dǎo)熱系數(shù)劇增，并具有低頻振蕩特性，誘發(fā)的動(dòng)態(tài)氣動(dòng)力/熱載荷可能導(dǎo)致飛行器的結(jié)構(gòu)破壞或熱防護(hù)系統(tǒng)的實(shí)效。由此可見(jiàn)，高馬赫數(shù)下的激波/附面層干擾引發(fā)的流動(dòng)分離現(xiàn)象是高超聲速飛行器的安全隱患，是影響飛行器整體及其關(guān)鍵部件安全性的重要因素，并給飛行器的材料選擇、結(jié)構(gòu)裝配和熱防護(hù)設(shè)計(jì)帶來(lái)困難和挑戰(zhàn)。

渦流發(fā)生器是一種延緩或抑制激波/附面層干擾流動(dòng)分離的被控控制方法，但在高馬赫數(shù)下（4<M<10），由于激波強(qiáng)度的增加，傳統(tǒng)的渦流發(fā)生器難以發(fā)揮很好的控制效果，其主要原因是傳統(tǒng)渦流發(fā)生器產(chǎn)生的渦擾動(dòng)難以克服強(qiáng)激波導(dǎo)致的逆壓梯度。因此提出一種簡(jiǎn)單可靠、易實(shí)現(xiàn)的控制高馬赫數(shù)條件下的激波/附面層干擾流動(dòng)分離的裝置與方法是亟待解決的問(wèn)題。

經(jīng)過(guò)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的檢索發(fā)現(xiàn)，中國(guó)專利文獻(xiàn)號(hào)CN201210319468，公開(kāi)日2013-01-09，記載了一種用于使流體流過(guò)表面期間的流動(dòng)分離衰減的渦流發(fā)生器，所述渦流發(fā)生器被構(gòu)造成用于鄰近表面產(chǎn)生至少兩個(gè)渦旋。但該技術(shù)與本發(fā)明相比的缺陷在于：不適用于高超聲速流體，其渦流發(fā)生器的結(jié)構(gòu)可產(chǎn)生較強(qiáng)的激波阻力；不能加強(qiáng)渦流發(fā)生器后緣的剪切層混合，難以較好的控制激波與附面層干擾的流動(dòng)分析現(xiàn)象。

中國(guó)專利文獻(xiàn)號(hào)CN201110322560，公開(kāi)日2012-05-16，記載了一種包含渦流發(fā)生器的風(fēng)力渦輪機(jī)葉片，所述渦流發(fā)生器的構(gòu)造和布置為對(duì)所述葉片的空氣動(dòng)力特性有貢獻(xiàn)，所述渦流發(fā)生器包括平臺(tái)和延伸部，平臺(tái)固定在所述凹陷中。但在高馬赫數(shù)條件下，該渦流發(fā)生器不能產(chǎn)生較好的渦擾動(dòng)，不能起到控制激波流動(dòng)分離的作用。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提出一種控制高馬赫數(shù)激波與附面層干擾流動(dòng)分離的裝置，能夠控制高超音速激波/附面層干擾導(dǎo)致的流動(dòng)分離，實(shí)現(xiàn)馬赫數(shù)在4～10條件下的分離流動(dòng)控制，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定等特點(diǎn)。

本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明包括：基部分流楔與尾緣微型渦流發(fā)生器，其中：基部分流楔為后仰楔形結(jié)構(gòu)，設(shè)置于激波與附面層干擾區(qū)的前端，其尾緣與激波入射點(diǎn)的距離小于等于3個(gè)附面層的厚度，尾緣微型渦流發(fā)生器設(shè)置于基部分流楔尾緣的上表面。

所述的基部分流楔的前、后緣高度H₂、H₁以及寬度D和長(zhǎng)度L分別滿足的條件為：

0≤H₂≤H₁≤δ；2H₁≤D≤5H₁；4H₁≤L≤10H₁；其中：δ為來(lái)流附面層的厚度。

所述的尾緣微型渦流發(fā)生器采用一個(gè)渦流發(fā)生單元或多個(gè)渦流發(fā)生單元排列構(gòu)成，其中：每個(gè)渦流發(fā)生單元的水平最大高度h和軸向最大長(zhǎng)度l滿足：0≤h≤0.3H₁；0≤l≤0.5H₁；并可根據(jù)具體尾緣渦流發(fā)生器不同結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

所述的尾緣渦流發(fā)生單元的形狀采用但不限于圓柱形、鋸齒形、后仰型楔形、前傾型楔形結(jié)構(gòu)。

所述的尾緣渦流發(fā)生單元的排列形式采用中心軸對(duì)稱的方式，進(jìn)一步優(yōu)選為軸向垂直的單排多個(gè)方式、雙排對(duì)齊方式、雙排交錯(cuò)等排列方式。

技術(shù)效果

相對(duì)于傳統(tǒng)的渦流發(fā)生器，本發(fā)明涉及的分流式、復(fù)合渦流發(fā)生器的技術(shù)效果包括：

1）由于分流效應(yīng)，在基部分流楔的側(cè)緣形成非穩(wěn)態(tài)渦旋結(jié)構(gòu)，可周期性的與激波/附面層干擾引發(fā)的分離渦發(fā)生相互作用，卷走干擾區(qū)附近的低能流體，增大激波/附面層干擾區(qū)的抗逆壓強(qiáng)度；

2）由于尾緣渦流發(fā)生器的作用，來(lái)流經(jīng)過(guò)分流楔的尾緣后，形成三維、強(qiáng)混合的湍流剪切層，湍流剪切層起到很好的“緩解帶”作用，用于減弱激波直接入射到壁面上的強(qiáng)逆壓梯度，同時(shí)分流楔尾緣形成的膨脹波系，有利于加速湍流剪切層，克服激波前后的動(dòng)量差。

相對(duì)于傳統(tǒng)的渦流發(fā)生器，本發(fā)明具有三種優(yōu)點(diǎn)：