基于次流循环阵列的激波/边界层干扰控制装置及自适应控制方法与流程

1.本发明涉及高超声速进气道内流场流动控制技术领域，特别针对变马赫数来流条件下的激波/边界层干扰现象的一种宽速域流动控制装置及方法，具体是一种基于次流循环阵列的激波/边界层干扰控制装置及自适应控制方法。


背景技术：

2.在超声速进气道中，激波/边界层干扰现象广泛存在，该现象破坏了流场的稳定性，出现边界层厚度增加、激波诱导边界层分离的现象，从而导致阻力增加，影响进气道效率和启动性能。为减少所引发的负面作用，需要在干扰过程出现之前或在干扰过程中对流动进行控制，也可以分别对激波和边界层进行控制。控制激波的目的是为了改变激波底部的结构，减小激波造成的总压损失。控制边界层则是改变边界层的流动特性，防止或减小激波诱导的边界层分离，降低黏性阻力，设法使激波造成的不稳定流动稳定下来。
3.目前，针对激波/边界层干扰主要有边界层吹除、边界层抽吸、微型涡流发生器控制、壁面鼓包控制、等离子体控制以及次流循环控制等控制方法，每种方法都有自己独特的优势，但也存在一些缺点。其中，边界层吹除、等离子体等主动控制方法需要额外添加复杂装置，注入额外能量，对材料的热防护有着更高的要求；微型涡流发生器与壁面鼓包会降低流场有效面积，影响进气道性能，且在暴露在高速流场中易损坏；边界层抽吸会造成流体损失，进气道设计面积增大，导致阻力增加。而次流循环控制是一种无源控制方法，无流量损失，也无需额外增加流量，工程实现较为简单，但抽吸孔与干扰分离区的相对位置对控制效果受影响较大，当流场产生振荡、来流马赫数变化导致分离区位置移动时控制效果有限。


技术实现要素：

4.针对上述现有技术中的不足，本发明提供一种基于次流循环阵列的激波/边界层干扰控制装置及自适应控制方法，不仅具有无源、结构简单、无质量损失等优势，还可以实现对宽速域条件下工作的高超声速飞行器内流场激波/边界层干扰的自适应控制，抑制边界层分离的产生，提高流场性能。
5.为实现上述目的，本发明提供一种基于次流循环阵列的激波/边界层干扰控制装置，包括位于流场内的壁板；所述壁板内设有次流通道，所述次流通道的一端通过排气槽与流场的上游相通，另一端通过若干呈阵列分布的进气槽与流场的下游相通；每一所述进气槽上均设有开关结构，以控制各所述进气槽自适应开关。其中，所述开关结构包括挡片与阻尼弹簧；所述挡片的一端通过连接轴铰接在所述进气槽入口的一侧，所述挡片的另一端为活动端且与所述进气槽入口的另一侧间隙配合，以使得所述挡片在常态下关闭所述进气槽；所述阻尼弹簧为套设在所述连接轴上的扭簧，且所述阻尼弹簧的一端与所述挡片的底部相连，另一端与所述进气槽的槽壁相连，以使得所述挡片在流场压力下克服所述阻尼弹簧并打开所述进气槽。当来流产生的斜激波入射到进气孔阵列区域时，分离区和激波后壁
面处静压升高，进气槽阵列与排气槽处较低的静压存在的压力差，形成次流循环。
6.作为上述技术方案的进一步改进，当所述进气槽关闭时，所述挡片的表面与所述壁板的壁面平齐。
7.作为上述技术方案的进一步改进，所述挡片与所述进气槽之间设有限位结构，以避免所述挡片翻入流场。
8.作为上述技术方案的进一步改进，各所述进气槽呈矩形阵列或沿流场方向的直线阵列分布。
9.作为上述技术方案的进一步改进，各所述进气槽等间距的呈阵列排列。
10.作为上述技术方案的进一步改进，所述次流通道的长度方向与流场的方向平行，所述排气槽的长度方向、所述进气槽的长度方向与流场的方向垂直。
11.为实现上述目的，本发明还提供一种基于次流循环阵列的激波/边界层干扰控制方法，即将上述激波/边界层干扰控制装置应用至高超声速发动机的进气道或燃烧室，其中，所述激波/边界层干扰控制中的壁板即为所述进气道或所述燃烧室的内壁；
12.所述激波/边界层干扰控制方法为：
13.当进气道或燃烧室内的流场未启动时，挡片在阻尼弹簧的作用下关闭进气槽，断开了次流循环流场与进气道流场在进气槽处的连接；
14.当进气道或燃烧室工作时，进气道或燃烧室中来流产生的斜激波入射到壁面上进气槽阵列所处区域，诱导边界层分离，产生激波/边界层干扰现象，产生分离区，分离区及激波后壁面处静压升高，而由于次流通道内的次流循环流场通过排气槽与进气道流场上游相通，整个次流循环流场静压力处于较低水平，即次流通道内的次流循环流场静压不变，分离区和激波后壁面区域的开关结构两侧形成压力差，当压力差大于设计阈值时，该处开关结构打开，进气槽畅通，形成次流循环，对激波/边界层干扰进行有效控制；
15.当来流马赫数增加或流场下游压力降低时，激波入射产生的分离区向流场下游移动，原分离区位置壁面静压力降低，与次流通道内的次流循环流场静压力的压力差小于设计阈值，则开关结构关闭使得该位置进气槽关闭，防止下游高压气体就近形成回流造成分离区增大；
16.当马赫数减小或流场下游压力增大时，分离区向上游移动，新分离区位置壁面处静压力增大，此处开关结构在压力差的作用下打开进气槽，形成新的次流循环，对新分离区进行有效控制。
17.与现有技术相比，本发明提供的一种基于次流循环阵列的激波/边界层干扰控制装置及自适应控制方法中，进气槽分布范围较大，当来流马赫数变化时或者流场压力产生振荡时，斜激波位置发生变化，但仍然在进气槽阵列范围内，能形成一个有效的次流循环通路以抑制边界层分离，从而实现宽速域高超声速飞行器进气道内流场激波/边界层干扰现象的控制，提升进气道性能。此外，本发明是无源被动控制装置，有着结构简单易实现的优点。
附图说明
18.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本
发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
19.图1为本发明实施例中激波/边界层干扰控制装置在开关结构打开时的结构示意图；
20.图2为图1中框选区域的放大结构示意图；
21.图3为本发明实施例中激波/边界层干扰控制装置在开关结构关闭时的结构示意图；
22.图4为图3中框选区域的放大结构示意图；
23.图5为本发明实施例中挡片与进气槽的配合结构示意图；
24.图6为本发明实施例中激波/边界层干扰控制装置在示例1中应用的结构示意图；
25.图7为图6中框选区域的放大结构示意图；
26.图8为本发明实施例中激波/边界层干扰控制装置在示例2中应用的结构示意图；
27.图9为图8中框选区域的放大结构示意图；
28.图10为本发明实施例中激波/边界层干扰控制装置在示例3中应用的结构示意图；
29.图11为图10中框选区域的放大结构示意图。
30.附图标号：壁板1、次流通道2、排气槽3、进气槽4、挡片5、阻尼弹簧6、连接轴7、流场8、斜激波(9-1、9-2、9-3)、分离区(10-1、10-2、10-3)、进气道或燃烧室11、流通过激波发生器12
31.本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
32.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
33.需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后
……
)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
34.另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
35.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
36.另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种
技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
37.如图1-4所示为本实施例公开的一种基于次流循环阵列的激波/边界层干扰控制装置，其主要包括位于流场8内的壁板1，壁板1内设有次流通道2，次流通道2的一端通过排气槽3与流场8的上游相通，另一端通过若干呈阵列分布的进气槽4与流场8的下游相通；每一进气槽4上均设有开关结构，以控制各进气槽4自适应开关。其中，次流通道2的长度方向与流场8的方向平行，排气槽3的长度方向、进气槽4的长度方向与流场8的方向垂直，各进气槽4呈矩形阵列或沿流场8方向的直线阵列分布，且各进气槽4等间距的呈阵列排列。
38.本实施例中，开关结构包括挡片5与阻尼弹簧6。挡片5的一端通过连接轴7铰接在进气槽4入口的一侧，挡片5的另一端为活动端且与进气槽4入口的另一侧间隙配合，以使得挡片5在常态下关闭进气槽4；阻尼弹簧6为套设在连接轴7上的扭簧，且阻尼弹簧6的一端与挡片5的底部相连，另一端与进气槽4的槽壁相连，以使得挡片5在流场8压力下克服阻尼弹簧6并打开进气槽4。
39.上述激波/边界层干扰控制装置的工作过程为：
40.当流场8未启动时，挡片5在阻尼弹簧6的作用下关闭进气槽4，断开了次流通道2内的次流循环流场与外部流场8在进气槽4处的连接；
41.当流场8运行时，来流产生的斜激波入射到壁板1的壁面上进气槽4阵列所处区域，诱导边界层分离，产生激波/边界层干扰现象产生分离区，分离区所在壁面及激波后的壁面处静压升高，而由于次流通道2内的次流循环流场通过排气槽3与外部流场8上游相通，整个次流循环流场静压力处于较低水平，即次流通道2内的次流循环流场静压不变，分离区所在壁面和激波后的壁面区域的挡片5两侧形成压力差，当压力差大于设计阈值时，挡片5克服阻尼弹簧6后向进气槽4内转动，使得进气槽4畅通，形成次流循环，对激波/边界层干扰进行有效控制；
42.当来流马赫数增加或流场8下游压力降低时，激波入射产生的分离区向流场8下游移动，原分离区位置壁面静压力降低，与次流通道2内的次流循环流场静压力的压力差小于阻尼弹簧6作用力，则挡片5在阻尼弹簧6的作用下回到原位，使得该位置进气槽4关闭，防止下游高压气体就近形成回流造成分离区增大；
43.当马赫数减小或流场8下游压力增大时，分离区向上游移动，新分离区位置壁面处静压力增大，此处挡片5在压力差的作用下打开进气槽4，形成新的次流循环，对新分离区进行有效控制。
44.作为优选地实施方式，当进气槽4关闭时，挡片5的表面与壁板1的壁面平齐，进而避免挡片5在壁板1的避免上形成凸起或凹陷，影响流场8的运行。
45.作为优选地实施方式，挡片5与进气槽4之间设有限位结构，以避免挡片5翻入流场8，影响流场8的运行。具体地，限位结构为设置在挡片5的边缘与进气槽4的边缘之间的台阶配合结构。在具体实施过程中，可以直接采用台阶配合结构替代挡片5与进气槽4槽壁之间的间隙配合。本实施例中，挡片5以及进气槽4的截面均为方形结构，其中挡片5的一条边通过连接轴7与进气槽4入口的一条边铰接，挡片5的另外三条边为活动边。其中台阶配合结构位于铰接处所在的边以及与铰接处平行的另一条边，其中，铰接处所在的边的台阶配合结构具体为挡板在上、进气槽4槽壁在下；与铰接处平行的边的台阶配合结构具体为挡板在下、进气槽4槽壁在上；即图5所示，使得挡板只能向进气槽4内的方向转动，而无法向外部流
场8的方向转动。至于挡板的最后两条边则与进气槽4的槽壁之间为间隙配合。
46.下面结合具体的示例对上述激波/边界层干扰控制装置的自适应控制方法作出进一步的说明。
47.示例1
48.参考图6-7，为基于次流循环阵列对来流马赫数3的激波/边界层干扰进行控制的实施例。进气道或燃烧室11来流通过激波发生器12产生斜激波9-1，模拟进气道或燃烧室11内的激波状态。斜激波9-1入射到壁面边界层产生分离区10-1，分离区10-1所在壁面及斜激波9-1后的壁面处静压力升高，而次流循环流场静压不变，分离区所在壁面和激波后的挡片5在压力差的作用下打开，形成次流循环，对激波/边界层干扰进行有效控制。
49.示例2
50.参考图8-9，为基于次流循环阵列对来流马赫数3.5的激波/边界层干扰进行控制的实施例。图8-9中进气道或燃烧室11来流通过激波发生器12产生斜激波9-2入射到壁面边界层产生分离区10-2。相比图6-7中马赫3的流场产生的分离区10-1，马赫3.5来流产生的分离区10-2向流场8下游移动。此时斜激波9-2前的低压区也向下游移动，所覆盖区域挡片5处压力差减小，挡片5在阻尼弹簧6的作用下关闭，该处进气槽4堵塞，防止分离区10-2附近就近形成回流导致分离区增大。分离区10-2与斜激波9-2后高压区域挡片5维持打开状态，形成新的次流循环，对激波/边界层干扰进行有效控制。
51.示例3
52.参考图10-11，为基于次流循环阵列对来流马赫数2.5的激波/边界层干扰进行控制的实施例。图10-11中进气道或燃烧室11来流通过激波发生器12产生斜激波9-3入射到壁面边界层产生分离区10-3。相比图6-7中马赫3的流场8产生的分离区10-1，马赫2.5来流产生的分离区10-3向流场上游移动。此时斜激波9-3后的高压区也向上游移动，所覆盖区域挡片5处压力差增加，挡片5在压力差的作用下打开，该处进气槽4畅通，形成新的次流循环，对激波/边界层干扰进行有效控制。
53.以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。