一種自維持合成雙射流激勵器及超聲速流動控制方法與流程
2023-07-24 08:15:26
本發明屬於流動控制技術和超聲速/高超聲速飛行器領域，具體涉及一種自維持合成雙射流激勵器及超聲速流動控制方法。
背景技術：
高超聲速飛行器是指以馬赫5或更高速度在大氣層和跨大氣層中飛行的飛行器。高超聲速進氣道在低於設計馬赫數下會出現不起動現象，進氣道的不起動會導致進氣道捕獲流量減少、總壓恢復降低，嚴重時會導致發動機熄火，嚴重危害高超聲速飛行器的飛行性能甚至導致事故。所以控制高超聲速進氣道內流場、改善進氣道起動性能成為進氣道研究的重點之一。
流動控制技術尤其是新興的合成射流/雙射流控制技術被認為是能夠控制進氣道流場方法之一。相關研究表明，合成射流/雙射流控制技術已經成功應用到亞聲速流場中，在邊界層分離控制中，能夠明顯的延緩邊界層的分離；在亞聲速進氣道內部流場控制中，能夠抑制進氣道的二次流以及流場畸變，提高進氣道性能。
目前合成射流/雙射流流場控制方式僅僅應用於亞聲速進氣道和邊界層分離控制，在超聲速/高超聲速進氣道中的應用還尚未有相關研究，傳統的合成射流/雙射流激勵器產生的射流能量相對於主流能量較低、控制效果不明顯。
技術實現要素：
為解決上述技術問題，本發明在解決膜片壓載失效問題的合成雙射流激勵器基礎上，提出自維持合成雙射流激勵器，顧名思義，其充分利用超聲速/高超聲速進氣道流場特性，將進氣口布置於高壓分離區，出氣口安放於低壓區，由兩口之間壓差驅動流動形成自維持射流，合成雙射流激勵器膜片的振動可以增加射流的能量，同時調製射流的頻率和渦量特徵，實現對進氣道流場控制。具體技術方案如下：
一種超聲速流動控制方法，採用自維持合成雙射流激勵器，所述自維持合成雙射流激勵器上開設有兩個入口、兩個出口，將所述兩個入口置於流場高壓區；將所述兩個出口置於流場低壓區。
本發明還提供了一種自維持合成雙射流激勵器，包括第一腔體板1，第二腔體板2、出口板3、安裝板4和振動膜5；所述第一腔體板1、第二腔體板2和出口板3共同圍成內部空腔，所述安裝板4將內部空腔分割成第一空腔6和第二空腔7，所述安裝板上開設一個通口用於安裝振動膜5；所述第一空腔對應的出口板上開設有第一入口8、第一出口9；所述第二空腔對應的出口板上開設有第二入口10、第二出口11；所述振動膜設置在安裝板的通口處，用於隔開所述第一空腔和第二空腔。
優選地，所述振動膜5與所述安裝板4的連接處設有墊圈。
優選地，所述振動膜5為壓電陶瓷膜片。
優選地，所述振動膜5為圓形膜片。
採用本發明獲得的有益效果：
1、激勵器膜片不受壓載影響。本發明自維持合成雙射流激勵器獨特的構型，有效地解決了振動膜片壓載失效問題。在超聲速飛行時，進氣道的前體壓縮楔板對高速來流減速增壓，研究表明：來流馬赫數達到3.5時激勵器的腔體內壓力是來流壓力的14倍。因此，強壓載將使得合成射流激勵器膜片無法正常工作，甚至將破壞激勵器的結構。自維持合成雙射流激勵器保留了合成雙射流激勵器的優點，採用一膜雙腔結構，兩腔內壓力大小相當，激勵器膜片兩側承受相同壓載，這保證了自維持合成雙射流激勵器能夠在超聲速流場環境中正常工作。
2、本發明自持循環設計結合激勵器膜片振動能有效提高射流能量。本發明自維持合成雙射流激勵器能夠利用壓力差驅動形成自持循環射流，自維持合成雙射流激勵器進氣口吸入附面層低能量氣體，可以穩定分離區，出口向附面層注入能量較高的射流，可以延緩流動分離，有利於減小總壓損失。出氣口向超聲速/高超聲速流場噴射射流，會誘導弱激波，弱激波可以減弱下遊激波的強度，有利於減阻降熱和氣動力控制。振動膜的振動可以增加射流的能量，同時調製射流的頻率和渦量特徵，實現對進氣道流場控制。
3、本發明構型設計對進氣道構型破壞小、體積小、質量輕以及控制效果明顯。現有技術中的合成射流/合成雙射流激勵器是單腔內單出口產生射流，激勵器開口過長會導致進氣道結構在一定程度上遭到破壞，並且無法產生自持循環射流，相關研究表明，僅靠激勵器膜片振動產生射流對超聲速來流控制效果不明顯。自維持合成雙射流在進氣道表面開若干孔，儘可能減小對進氣道結構的破壞。此外，自維持合成雙射流激勵器還具有體積小，質量輕等特點，最大可以使超聲速進氣道自起動馬赫數降低0.5，並且能夠顯著的提高進氣道的總壓恢復係數以及流量係數。
4、本發明激勵器形成雙自維持合成射流控制效果佳，能量利用率高。自維持合成雙射流激勵器為一膜雙腔四口，一膜雙腔結構可以形成兩個並列的自持循環吸吹射流，並且可以充分利用振動膜的振動能量，能量利用效率是普通合成射流激勵器的兩倍，工作頻率也是合成射流的兩倍。
5、本發明適用範圍廣。在超聲速/高超聲速流場中，廣泛存在激波、流動分離等非定常流動現象，這些現象都會使得部分流場壓強產生急劇的變化。自維持合成雙射流激勵器主要是利用超聲速/高超聲速流場中的壓力梯度特性，通過將進氣口放置於高壓區，出氣口放置於低壓區，通過壓差驅動形成自維持射流對流場進行控制。所以本發明可廣泛的適用於超聲速/高超聲速流場控制。綜上所述，本發明充分利用超聲速/高超聲速流場自身能量，實現對超聲速/高超聲速流場有效的控制，具有能耗低、結構簡單、輕小型化、電參數控制、適用範圍廣的優點。
附圖說明
圖1本發明方法工作示意圖；
圖2為本發明自維持合成雙射流激勵器示意圖；
圖3為本發明自維持合成雙射流激勵器的剖視圖；
圖4為本發明自維持合成雙射流激勵器二維工作原理簡化圖；
圖5為二維平面下自維持合成雙射流激勵器控制流場時內部流場圖；
圖6為本發明激勵器二維平面下作用進氣道位置圖。
具體實施方式
下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。
如圖1所示，本發明方法工作示意圖。圖中為一種超聲速流動控制方法，採用自維持合成雙射流激勵器，所述自維持合成雙射流激勵器上開設有兩個入口、兩個出口，將所述兩個入口置於流場高壓區；將所述兩個出口置於流場低壓區。圖中虛線表示流體在激勵器內部的流動方向。利用超聲速流場壓力梯度，由高壓去的入口與低壓區的出口形成的兩口之間壓差驅動流動形成自維持射流，壓電陶瓷膜片的振動作用是增加射流能量，同時調製射流的頻率和渦量特徵。本發明方法在壓力驅動下，流體從入口流入，經腔體從出口流出，形成高速射流，該射流無需注入外界能量，能夠充分利用流場特徵自行維持，實現對超聲速流場的控制。壓力梯度可以是激波前後形成的逆壓梯度，也可以是流場中的順壓梯度。激勵器振動膜片的振動可以增加射流的能量，同時調製射流的特徵頻率和渦量脈動，實現對超聲速流場的控制。
如圖2所示，本發明自維持合成雙射流激勵器示意圖；本發明是對超聲速/高超聲速流場進行方向控制，在內流場控制中可以有效改善超聲速進氣道內部流場品質、提高超聲速進氣道在低於設計馬赫數下的起動性能，具體為降低進氣道的自起動馬赫數、提高總壓恢復係數和進氣道流量係數。此外，本發明還可以控制超聲速飛行器外流場，如激波、邊界層控制，實現減阻、降熱、氣動力控制。實施例中以超聲速飛行器進氣道內流場控制為例進行說明。
如圖3所示本發明自維持合成雙射流激勵器的剖視圖；沿圖(a)中a-a，b-b，c-c三條剖面線分別得到對應的圖(b)、圖(c)和圖(d)三個剖視圖。從圖(a)、圖(b)、圖(c)、圖(d)中得到本發明自維持合成雙射流激勵器具體組成結構，包括第一腔體板1，第二腔體板2、出口板3、安裝板4和振動膜5；所述第一腔體板1、第二腔體板2和出口板3共同圍成內部空腔，所述安裝板4將內部空腔分割成第一空腔6和第二空腔7，所述安裝板上開設一個通口用於安裝振動膜5；所述第一空腔對應的出口板上開設有第一入口8、第一出口9；所述第二空腔對應的出口板上開設有第二入口10、第二出口11；所述振動膜設置在安裝板的通口處，用於隔開所述第一空腔和第二空腔。實施例中，各腔體板與出口板通過設置螺紋孔並使用螺栓進行固定，也可以通過粘合或者通過模具製作為一體化結構。振動膜5採用壓電陶瓷膜片，位於兩空腔之間，壓電陶瓷膜片與安裝板之間設置有墊圈。
圖4是二維情況下自維持合成雙射流工作原理圖，為了在二維數值模擬中實現自維持合成雙射流的功能，圖中將自維持合成雙射流激勵器簡化為一個空腔、一個出口板和一個壓電陶瓷膜片，其中左側入口上標有流程高壓區，右側出口上標有流程低壓區，流體從高壓側流入激勵器並從低壓口噴出，形成自維持射流，壓電陶瓷膜片的振動作用是增加射流能量，同時調製射流的頻率和渦量特徵，由於在二維構型中，無法實現振動膜位於兩腔體中間的情況，所以將振動膜簡化到激勵器底部，二維自維持合成雙射流的工作原理與三維自維持合成雙射流工作原理一致，都是利用超聲速/高超聲速進氣道流場特性，將進氣口布置於流程高壓區，出氣口安放於低壓區，由兩口之間壓差驅動流動形成自維持射流，合成雙射流激勵器膜片的振動可以增加射流的能量，同時調製射流的頻率和渦量特徵，實現對進氣道流場控制。振動膜位置的改變只是為了在二維空間內實現只維持合成雙射流的功能。
圖5為二維平面下自維持合成雙射流激勵器控制流場時內部流場圖；從圖中的流線和壓力分布可以看出，氣體從高壓入口流入，從低壓出口流出，激勵器能夠形成自維持合成射流對超聲速流場進行控制。
圖6是把自維持合成雙射流激勵器安放在超聲速進氣道內的二維簡圖。圖(a)為二維作用下進氣道位置整體示意圖，圖(b)、圖(c)為不同情況下的局部放大圖。根據之前的研究結果可知，充分利用超聲速/高超聲速流場壓力梯度特徵，進氣口(即：第一入口、第二入口)安放於高壓區，出氣口(即：第一出口、第二出口)安放於低壓區。超聲速/高超聲速流場壓力分布梯度，主要是指超聲速/高超聲速流場正常流動的順壓梯度、以及由於激波、流動分離等非定常流動現象導致的逆壓梯度，如雲圖(b)、(c)所示。圖(b)利用流場的順壓梯度，本發明激勵器進氣口位於進氣道內壓縮段分離泡的再附點，利用激波後形成的高壓區，而出氣口位於隔離段上，此處壓強較低，出口和入口之間形成壓力差；圖(c)利用逆壓梯度，本發明激勵器進氣口位於進氣道分離泡再附點，出氣口位於上遊壓縮面內，利用分離泡前後的壓力差。在壓電陶瓷膜片的振動下，進氣口吸入分離的低能量流體，出口噴出高動能射流，達到控制進氣道流場的效果。自維持合成雙射流激勵器產生的周期性自維持合成雙射流，利用自維持合成雙射流激勵器控制超聲速/高超聲速流場激波、激波邊界層幹擾和流動分離等流動現象，從而實現對超聲速/高超聲速流場的有效控制。對於本發明結構的尺寸和出口與入口的關係，本發明自維持合成雙射流激勵器的尺寸和形狀並不是固定的，是可以根據受控流場的需要改變，但本發明一膜雙腔四出口的基本構型和利用流場壓力梯度形成自維持合成雙射流對流場進行控制的基本思想是不變的。
以上所述，僅是本實施例，並非對本發明做任何限制。任何熟悉本領域的技術人員，在不脫離本發明技術方案範圍的情況下，都可利用上述揭示的技術內容對本發明技術方案做出許多可能的變動、修飾或修改為等同變化的等效實施例。因此，凡是未脫離本發明技術方案的內容，依據本發明技術實質對以上實施例所做的任何簡單修改、等同變化及修飾，均應落在本發明技術方案保護的範圍內。