[發明專利]高超聲速進氣道轉捩片

有效

• 申請號: 201910073684.0
• 申請日: 2019-01-25
• 公開（公告）號: CN109779760B
• 公開（公告）日: 2021-02-09
• 發明（設計）人: 沈清;張紅軍;趙俊波;尚慶;紀鋒;關發明;楊武兵
• 申請（專利權）人: 中國航天空氣動力技術研究院
• 主分類號: F02C7/04
• 分類號: F02C7/04
• 代理公司: 中國航天科技專利中心 11009
• 代理人: 龐靜

高超聲速進氣道轉捩片固定在進氣道前體表面距進氣道前緣一定位置處，齒尖指向來流，與來流方向垂直；鋸齒形轉捩片厚度h＝0～0.2mm；鋸齒形角度α＝60°～120°；鋸齒形齒高根據進氣道壓縮拐角處剪切層的流動失穩特性進行設計；鋸齒形轉捩片材料為熔點高于流場當地總溫的材料；鋸齒形轉捩片使用耐高溫黏合劑粘貼或使用其它方式固定于進氣道前體表面。風洞試驗和大渦模擬表明鋸齒形轉捩片能夠在寬馬赫數來流條件下有效觸發進氣道前體邊界層轉捩，使得邊界層在進氣道入口處進入湍流狀態，進而抑制由進氣道唇口反射激波與邊界層干擾導致的流動分離，降低進氣道總壓損失，提高進氣道性能。

技術領域

本發明涉及一種高超聲速進氣道鋸齒形轉捩片，屬于高超聲速邊界層流動控制技術領域。

背景技術

高超聲速進氣道是利用進氣道壓縮面產生的斜激波或等熵壓縮波對來流進行壓縮，從而對高超聲速來流進行減速、增壓和增溫，達到滿足燃燒室點火燃燒的要求。在高超聲速進氣道內部存在復雜的激波/邊界層干擾，從地面及飛行試驗來看，激波/邊界層干擾會對進氣道的工作及性能產生重要影響，特別是在邊界層為層流時，在進氣道唇口入射激波作用下很容易引起流動分離，使得進氣道的捕獲流量減小、總壓恢復下降，嚴重時還會造成進氣道不起動，導致飛行試驗失敗。

相對于層流邊界層，湍流邊界層可以很好地抑制由激波/邊界層干擾導致的流動分離，能夠保障進氣道的安全工作并提高其性能。然而通過飛行試驗發現，在實際飛行中進氣道壓縮面邊界層通常為層流狀態，這是由于在高空低湍流度來流及進氣道強激波壓縮、鈍前緣熵層的共同作用下，高超聲速進氣道邊界層流動會變得更加穩定，難以實現自然轉捩。因此，必須通過在前體壓縮面安裝人工轉捩裝置來獲得湍流，例如X-43A、X-51A、HIFiRE-5、Hyfly等高超聲速飛行器的飛行試驗中均使用了一種名為“渦流發生器”的人工轉捩裝置，其構形為沿前體壓縮面展向布置的一排或幾排具有一定間距的圓柱形、鉆石形或斜坡形粗糙單元，這種渦流發生器能夠在邊界層內誘導出一系列沿流向運動的渦對，進而達到觸發邊界層轉捩的目的。然而渦流發生器有效高度通常占當地邊界層厚度的70％以上，屬于一種強擾動，雖然轉捩效率高，但同時也存在諸多氣動問題：在邊界層中會引起小激波，從而帶來邊界層內的總壓損失，產生附加阻力，邊界層位移厚度也隨之增加，導致進氣道的抗反壓能力及總壓恢復性能下降。在來流馬赫數Ma＝6條件下，研究表明，渦流發生器使進氣道的質量加權總壓和流量在隔離段出口處下降約3.5％，同時還面臨突出的氣動加熱和氣動防熱問題，研究表明，對于斜坡形粗糙元，其熱流最大值約為該處層流熱流的17.6倍；鉆石形粗糙元的最大熱流約為層流的133.7倍；圓柱形粗糙元的最大熱流約為層流的173.8倍。由此可見，渦流發生器在工程應用中還存在比較大的氣動力熱問題。

與渦流發生器觸發邊界層轉捩的機理不同，在高超聲速進氣道研究中，中國航天空氣動力技術研究院超燃沖壓發動機團隊基于亞諧共振原理研究設計了一種呈鋸齒形的雙片型人工轉捩薄片，并將其應用于高超聲速二元進氣道前體邊界層人工轉捩，取得了顯著效果，但是由于在不同來流馬赫數下進氣道壓縮面的邊界層失穩特性變化很大，使得一種設計方案往往難以兼顧寬范圍來流的轉捩需求，難以滿足工程應用要求。

發明內容

本發明解決的技術問題：克服現有技術不足，提出一種單片型鋸齒狀人工轉捩薄片，該轉捩片在高效觸發高超聲速進氣道邊界層轉捩的同時，具有低阻、低熱流等技術優勢。

本發明的技術原理：鋸齒形轉捩片可以在高超聲速進氣道邊界層中誘發三維擾動波，三維擾動波在與進氣道壓縮拐角處剪切層相互作用后可出現類似于哥特渦的渦對結構，渦對結構在壓縮拐角剪切層上部不斷增強，導致流動失穩，在流動再附到壁面后流動失穩進一步加劇，誘導出馬蹄渦結構進而快速觸發邊界層轉捩，最終完全進入湍流。可以看出，本發明的技術原理不同于當前高超聲速邊界層人工轉捩常用的渦流發生器，也不同于雙片型鋸齒形轉捩片。