基于嵌入式运动壁面的激波/边界层干扰流动控制方法

技术领域

发明涉及高超声速飞行器设计技术领域，具体为高超声速进气道流动控制领域。

背景技术

高超声速进气道主要通过一系列激波完成增压过程，再加上高超声速进气道会吸入充分发展的前体边界层气流，导致激波/边界层干扰这一流动现象在高超声速进气道中普遍存在，很大程度上影响着进气道性能。进气道内激波/边界层干扰现象主要分为正激波/边界层干扰、斜激波/边界层干扰和三维激波/边界层干扰等几类。当激波强度过强时，会诱导边界层发生分离，降低进气道的气动性能，如果上述问题处理不当，会使进气道偏离设计工况或者不起动。

高超声速进气道唇罩诱发的激波/边界层干扰现象是使进气道性能下降的重要因素之一，目前主流的控制方式有边界层开槽放气、微型涡流发生器控制、壁面鼓包控制等。边界层放气是一种较为稳定的控制手段，可以有效吸除壁面低能流，但会造成流量损失、增加溢流阻力。微型涡流发生器控制装置，通过尾部产生的流向涡将边界层上部高能流卷入下部，提高其抗逆压梯度能力，但涡流发生器会增加阻力，而且微型涡流发生器在高马赫数下效果不理想，还面临着严重的烧灼问题。

故，需要一种新的技术方案以解决上述技术问题。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出一种基于嵌入式运动壁面的激波/边界层干扰流动控制方法，目的是改善进气道流场，提高进气道的抗反压能力与总压恢复系数，降低进气道的自起动马赫数，提升进气道的综合性能。

为达到上述目的，本发明的一种基于嵌入式运动壁面的激波/边界层干扰流动控制方法可采用如下技术方案：

一种基于嵌入式运动壁面的激波/边界层干扰流动控制方法，其特征在于，在进气道激波/边界层干扰区布置一段运动壁面，运动壁面包括多级滚轮与在多级滚轮上滚动的柔性传输带，将运动壁面嵌入唇罩激波/边界层干扰诱导的分离包下方；运动壁面前侧和后侧与进气道激波/边界层干扰区所在的固定壁面相切，通过嵌入运动壁面下方的电机驱动多级滚轮中的主动轮，带动柔性传输带沿主流方向转动。

进一步的，运动壁面粗糙度与当地边界层厚度有关，运动壁面粗糙度定义为均匀砂砾状表面的砂砾高度，具体粗糙度为当地边界层厚度的18％。

运动壁面运动速度与抑制分离效果呈正相关，具体运动壁面速度为120m/s。

运动壁面位置和其速度以及粗糙度呈强耦合关系，且运动壁面始终位于分离包下方；在固定壁面运动速度和粗糙度下，对应一个最优的运动壁面位置，此时运动壁面对分离包的抑制效果在对应参数下达到最优，具体运动壁面位置为分离包回流区下方。

运动壁面长度不超过分离包长度，运动壁面的尾部位置在再附点之前。

本发明还提供一种基于嵌入式运动壁面的进气道，包括唇罩、位于唇罩下方的进气道壁面，所述进气道壁面上设有一段运动壁面，该运动壁面的前面及后面均为进气道壁面的固定壁面，所述运动壁面包括多级滚轮与在多级滚轮上滚动的柔性传输带；柔性传输带的顶面与固定壁面在同一平面上且柔性传输带的前端及后端均与固定壁面之间留有一条缝隙供柔性传输带滚动。

进一步的，多级滚轮中包含主动轮及多个从动轮，还设置嵌入运动壁面下方的电机用以驱动主动轮。

该运动壁面布置在进气道激波/边界层干扰区。

有益效果：相对于现有技术，本发明提供了一种基于嵌入式运动壁面的激波/边界层干扰流动控制方法及一种进气道。通过在进气道激波/边界层干扰区合适位置布置一段运动壁面，形成局部滑移运动，提高近壁面气流动量，增强其抗反压能力，进而减小分离包尺寸。本发明能够改善进气道流场，提高进气道的抗反压能力与总压恢复系数，降低进气道的自起动马赫数，提升进气道的综合性能。

附图说明

图1是本发明中基于嵌入式运动壁面的激波/边界层干扰控制方法应用在进气道中结构图。

图2是进气道壁面内部结构示意图。

图3是进气道壁面的俯视示意图。

图4是原始分离区与使用本发明后分离区的二维马赫数云图。

具体实施方式

请参阅图1至图3所示，为本发明一种基于嵌入式运动壁面的激波/边界层干扰控制方法应用在进气道中的实施方式。该进气道包括唇罩200、位于唇罩下方的进气道壁面100。所述进气道壁面100上设有一段运动壁面101，该运动壁面101的前面及后面均为进气道壁面的固定壁面5。所述运动壁面101包括多级滚轮与在多级滚轮上滚动的柔性传输带3。柔性传输带3的顶面与固定壁面5在同一平面上。多级滚轮包括主动轮1、多个从动轮2、驱动主动轮的电机4。

运动壁面粗糙度是本发明的第一个关键。将粗糙度简化为均匀砂砾状表面的粗糙颗粒高度，运动壁面的壁面粗糙颗粒高度大于其上方气流的粘性底层时，运动壁面粗糙度的影响逐渐显著，具体为运动壁面的壁面粗糙度越大，上方气体受到的摩擦阻力越大，动能损失越多，回流区体积随着粗糙度增加而减小。具体粗糙度高度为当地边界层厚度的18％。

运动壁面速度是本发明的第二个关键。运动壁面向上方主流区传递动能，一定程度上抵消了回流，速度越大，抑制分离效果越明显。如图4所示，具体运动壁面中柔性传输带的速度为120m/s。

运动壁面位置是本发明的第三个关键。运动壁面应在唇罩激波诱导的分离包下方，运动壁面起点位置与分离包起点位置重合。运动壁面的位置取决于很多因素，其与分离包位置和大小，以及运动壁面的粗糙度和速度呈强耦合关系，因此需要借助诸如fluent、CFX等流体仿真软件计算得到。在确定的分离包下方设置速度和粗糙度固定的运动壁面边界条件，通过迭代计算出最优运动壁面位置。

运动壁面的长度是本发明的第四个关键。运动壁面长度不应超过分离包长度，运动壁面的终点位置应在再附点之前。

请参阅图4所示：此图为原始分离结构与采用本发明后分离结构的二维马赫数云图，图中横坐标为X，纵坐标为Y，单位为米。图中可以看出与原始分离包相比，采用基于嵌入式运动壁面的激波/边界层干扰流动控制技术后分离包有显著减小，分离点后移。通过此发明有效的抑制了激波/边界层干扰诱导的边界层分离，显著改善了进气道内的流动状态，降低了相应的流动损失。

本发明具体实现该技术方案的方法和途径很多，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明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。