局部粒子投放的进气道内激波诱导分离控制方法与装置

1.本发明属于超声速/高超声速进气道流动控制领域，特别是应用于控制激波/边界层干扰诱导流动分离的控制方法与装置。


背景技术：

2.超声速/高超声速进气道是吸气式高速飞行器的重要部件，其位于高速吸气式推进系统的最前端，具有捕获并调节空气流量、转化与利用来流动能、调节流速大小与均匀性、隔离上下游扰动等多项功能，对推进系统的工作效率和包线有着直接影响。作为高超声速飞行器理想动力装置的冲压发动机，其总推力的50％以上更是来源于复杂的进排气系统。
3.由于超声速/高超声速进气道主要借助激波系来实现对捕获气体的减速增压，因而激波主导的流动是进气道内的核心流动现象之一，尤其是激波/边界层干扰现象。进气道内的激波/边界层干扰会降低进气道的总压恢复，增强流场畸变。当激波/边界层干扰诱导分离时，还会降低进气道的流通能力，严重时会造成进气道不起动甚至发动机熄火，因而流动分离的控制十分重要。
4.提高边界层内流体动量或降低逆压梯度都可以抑制分离。传统控制方法有斜坡式涡流发生器、等离子体合成射流、壁面鼓包控制法以及边界层放气等。这些传统方法虽有一定的控制效果，但也存在明显的缺点。涡流发生器会产生寄生阻力且在高速气流冲击下易损坏，等离子体合成射流的实用性受限于激励器体积及其他机载设备电磁兼容性，鼓包控制法在宽速域工况下控制效果弱，边界层放气会损失捕获流量、产生放气阻力并在高马赫数下带来难以避免的热防护问题。


技术实现要素：

5.发明目的：本发明公开了一种局部粒子投放的进气道内激波诱导分离控制方法及控制装置。可通过向边界层内注入固体粒子，达到抑制分离的效果。这种新的流动控制方式避免了边界层放气带来的热防护问题且不会损失捕获流量。
6.本发明同时提供使用该进气道内激波诱导分离控制装置的进气道。
7.技术方案：
8.本发明提供的局部粒子投放的进气道内激波诱导分离控制装置可采用以下技术方案。
9.一种局部粒子投放的进气道内激波诱导分离控制装置，包括进气道压缩面，还包括位于进气道压缩面内部的粒子投放装置；所述粒子投放装置包括若干预置有固体粒子的管状粒子容器、位于管状粒子容器中的活塞、用于开闭管状粒子容器的开关；所述进气道压缩面上设有若干与管状粒子容器一一对应的粒子投放口，开关控制粒子投放口与管状粒子容器内部的连通或封闭，当粒子投放口与管状粒子容器内部的连通时，活塞推动管状粒子容器的固体粒子通过粒子投放口向外排出。
10.进一步的，开关包括板体及控制板体移动的驱动器，所述驱动器安装于进气道压缩面的内部；板体位于管状粒子容器出口与粒子投放口之间，且板体上设有若干中间通道，当板体移动至中间通道位于粒子投放口与管状粒子容器出口之间时，粒子投放口与管状粒子容器出口通过中间通道连通，当板体移动至板体封闭部分位于粒子投放口与管状粒子容器出口之间时，粒子投放口与管状粒子容器出口封闭。
11.进一步的，所述进气道压缩面的内部还设有驱动活塞的丝杆电机，所述活塞与丝杆电机之间通过推杆连接。
12.进一步的，所述固体粒子直径范围为100nm-20μm。
13.有益效果：相对于现有技术，在进气道的激波/边界层干扰现象较为严重、诱发大分离时，本发明中提供的进气道内激波诱导分离控制装置可从干扰区上游较远处壁面以较低的速度向流场中(特别是边界层内)投入固体粒子。投入的固体粒子尺寸较小，可以在一定的距离内加速至和流体相同的速度，随后在流体减速时利用固体粒子的弛豫效应向流体中注入动量，从而抑制分离。同时，固体粒子温度较低，可用于冷却近壁面流体，起到局部热防护的作用。
14.本发明还提供一种包括上述进气道内激波诱导分离控制装置的进气道的技术方案：固体粒子的注入位置在进气道激波/边界层干扰上游壁面处，且注入后粒子位于边界层内部。
15.本发明还提供一种上述进气道内激波诱导分离控制装置的控制方法的技术方案：在高马赫数飞行器进气道内，激波/边界层干扰区域上游注入固体粒子，注入的固体粒子随流加速后，在边界层气流减速时利用弛豫效应向气流注入动量，抑制分离。
附图说明
16.图1是本发明提出的流动控制方法原理图。
17.图2是本发明提供的进气道内激波诱导分离控制装置结构示意图。
18.图3是本发明流动分离控制方法数值模拟获得的分离控制效果对比图。
具体实施方式
19.下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
20.请结合图1及图2所示，本发明提供一种局部粒子投放的进气道内激波诱导分离控制装置，包括进气道前体8、覆盖于进气道前体8上的进气道压缩面7、位于进气道压缩面内部的粒子投放装置。所述粒子投放装置包括若干预置有固体粒子(未图示)的管状粒子容器10、位于管状粒子容器10中的活塞14、用于开闭管状粒子容器10的开关、驱动活塞14的丝杆电机13。所述活塞14与丝杆电机13之间通过推杆15连接。在本实施方式中，所述进气道前体8与进气道压缩面7之间形成空腔，粒子投放装置放置于该空腔内。
21.所述进气道压缩面7上设有若干与管状粒子容器10一一对应的粒子投放口9。开关包括板体11及控制板体11移动的驱动器12(电机)。所述驱动器12安装于进气道压缩面7的内部。板体11位于管状粒子容器10出口与粒子投放口9之间，且板体11上设有若干中间通道。当板体11移动至中间通道位于粒子投放口9与管状粒子容器10出口之间时，粒子投放口
9与管状粒子容器10出口通过中间通道连通，在该状态下可以通过活塞14推动管状粒子容器10的固体粒子通过粒子投放口9向外排出。当板体11移动至板体封闭部分位于粒子投放口9与管状粒子容器10出口之间时，粒子投放口9与管状粒子容器10出口封闭。
22.在本实施方式中，所述固体粒子直径范围为100nm-20μm，该固体粒子的材料可选用超燃冲压发动机的固体燃料，如铝或硼。
23.并结合图1所示，该进气道内激波诱导分离控制装置应用于超声速/高超声速飞行器的进气道结构中，该进气道中将固体粒子的注入位置在进气道激波/边界层干扰上游壁面处，且注入后粒子位于边界层内部。
24.再结合图1所示，上述进气道内激波诱导分离控制装置的控制方法为：在高马赫数飞行器进气道内，激波/边界层干扰区域上游注入固体粒子，注入的固体粒子随流加速后，在边界层气流减速时利用弛豫效应向气流注入动量，抑制分离。
25.如图1中所示，该控制方法的应用情景中来流1是超声速或高超声速的。使用本发明方法控制分离时，从激波/边界层干扰上游的粒子投放区域2向边界层3中投入粒子。粒子投入后，经过加速段4加速至与流体相同的速度。
26.在激波/边界层干扰区域5内，被加速的粒子由于穿过激波6后不会立刻减速，所以速度会高于流体速度，这便会产生由粒子向流体的动量传递，达到抑制分离的效果。
27.上述方法中，从粒子投放区域2投入流场的固体粒子尺寸在纳米或微米量级，且颗粒可以以很低的速度从粒子投放区域2投入流场。
28.上述方法中，从粒子投放区域2投入流场的粒子，其温度应低于高马赫数飞行器飞行时的气流总温。低温粒子在控制分离时还能从近壁面处流体中抽取热量，起到局部热防护的作用。
29.为进一步说明本发明的实用性，采用数值仿真方法验证了上述方法对压缩拐角诱导的流动分离的控制效果。数值仿真时来流马赫数为3，颗粒从干扰区上游以零流向速度与很小的法向速度向流场中注入。图3中a图给出了未施加控制时分离区附近的流动情况，图3中b图给出了施加控制后分离区附近的流动情况。数值模拟结果表明，投入粒子后，分离区的流向和法向尺寸都有所缩小，证实了本发明提出的控制方法达到了预期目标，是切实可行的。