[發明專利]一種減弱湍流邊界層氣動光學效應的定常吹吸方法

有效

• 申請號: 202110061040.7
• 申請日: 2021-01-18
• 公開（公告）號: CN112784360B
• 公開（公告）日: 2022-04-15
• 發明（設計）人: 孫喜萬;劉偉;楊小亮;李大力;孔令發
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍國防科技大學
• 主分類號: G06F30/15
• 分類號: G06F30/15;G06F30/28
• 代理公司: 國防科技大學專利服務中心 43202
• 代理人: 王文惠

本發明屬于空氣動力學和光學工程交叉的領域，公開了一種減弱湍流邊界層氣動光學效應的定常吹吸方法。具體步驟包含確定吹吸擾動函數形式、給定函數變量具體形式和參數、給定函數變量具體形式和參數三個步驟，本發明實現了湍流平板邊界層的定常吹吸控制，解決了減弱湍流氣動光學效應的問題，可以在較大控制強度范圍內有效減弱湍流區域的氣動光學效應值，其原理是通過定常擾動壓制流動非定常渦發展。相比于傳統非定常吹吸控制方案，本發明的高效易行，對基于流動控制的湍流邊界層現象研究，和光學成像制導飛行器設計具有參考價值。

技術領域

本發明涉及空氣動力學和光學工程交叉的學科領域，所提出的方法適用于湍流邊界層流動機理研究、光學成像制導飛行器設計等問題。

背景技術

當成像制導飛行器在大氣中高速飛行時，視窗附近的流場會變得極為復雜。由于馬赫數、雷諾數較高，飛行器頭部會形成激波結構，窗口附近的流動也會產生湍流邊界層、剪切層等現象。帶有光學成像制導系統的高速飛行器在大氣層內飛行時，光學頭罩與來流之間形成復雜流場，對光學成像探測系統造成熱、熱輻射和圖像傳輸干擾，造成目標圖像偏移、抖動、模糊和成像強度下降，這種效應稱為氣動光學效應(Aero-Optical Effect)。隨著精確制導需求的發展，氣動光學現象逐漸被各航空航天大國所重視，其在軍事領域的應用背景尤為明顯。精確打擊武器對信息獲取的精確性和時效性依賴程度越來越大，所以采用光學成像探測跟蹤技術已成為精確打擊發展的必然趨勢。相對于傳統的慣性制導、指令制導和無線電末制導，光學探測的方式具有高精度、抗干擾能力強的特點。

從空氣動力學和光學工程交叉的視角，氣動光學的研究對象主要是壁面流動、混合層、凸臺等對光線偏折和光程分布的影響。光線在流場中傳播，流場密度ρ與氣體折射率n的關系通過如下關系式計算

n＝1+ρK_GD

K_GD(單位：m³/kg)是Gladstone Dale常數，由光的波長λ確定。光程(Optical PathLength，OPL)定義為折射率沿光軸z傳播方向的積分

而光程差(Optical Path Difference，OPD)反映的是波前畸變程度，定義為

OPD(x,y,t)＝OPL(x,y,t)-OPL(x,y,t)

其中〈OPL(x,y,t)〉是光瞳平面內空間平均運算。如何減弱氣動光學效應、提升成像制導探測精度是一個亟待解決的問題，具有很強的學術研究和工程應用價值。

平板流動引起的湍流附面層是這一工程領域的常見物理模型，具有重要的研究意義，但是目前基于流動控制方法減弱氣動光學效應的研究非常少見。Michael D.White等人于2013年的第51屆AIAA宇航科學會議中發表論文Computational Investigation of WallCooling and Suction on the Aberrating Structures in a Transonic BoundaryLayer，指出壁面抽氣有可能實現氣動光學效應減弱，但非定常抽氣模型的效率較低。孫喜萬等2020年于Journal of Turbulence期刊發表論文Aero-optical suppression forsupersonic turbulent boundary layer，指出采用適當強度的非定常抽氣可以控制湍流邊界層進入層流狀態，這一方法需要對流場結果進行合理預測，較難實施；或采用較強的非定常抽氣擾動，雖然下游重新出現湍流結構，但也有減弱氣動光學效應的潛力，但是其需要較大幅值而效率較低。總體而言，采用非定常吸氣實現邊界層氣動光學減弱需要合理預測強度，或效率不高，缺乏可行性。因此，急需研究有效的減弱湍流平板邊界層氣動光學效應的操作方法。吹吸擾動主要有三種，即吹吸、單一吹氣和單一吸氣擾動。

發明內容