[发明专利]山脊型扫掠涡流发生器及生成方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种排移超跨音速机体低能流的山脊型扫掠涡流发生器（Swept Vortex Generator，简称为SVG）及生成方法，属于无隔道进气道设计技术领域。

背景技术

克服进气道外部边界层对进气系统总压回复系数的不利影响一直是飞行器设计师的一个严峻挑战。至今，已有一些方法来防止低能流进入到进气道内，分别是隔道、放气装置及鼓包型面。经典的隔道结构仍然在第四代战斗机上使用；鼓包表面也不再新鲜，它在第五代战斗机上已经开始应用；放气装置则被广泛应用于跨音速及亚音速范围。通常放气结构本身并不能完全减小边界层的厚度，但在控制与减小边界层厚度的不同阶段，这种装置是必不可少的。每种系统都有自己的优缺点。例如，机身与进气道间的隔道设计可以有效的减小低能流进入进气道，但这种设计不可避免的增加了阻力，尤其是在超音速情况下，隔道处的激波显著增加了阻力。鼓包型面适用于进气道/机身一体化，隐身等，在降低总阻力方面也有不错的效果。鼓包型面设计的主要思想是基于已知锥形激波后的流场，采用流线追踪技术生成型面，换句话说，经典的鼓包型面受到锥型流场特征的约束。虽然非对称、非乘波式的鼓包表面设计正在研究中，但在气动性能方面没有足够的数据公布。另外，在高马赫数下，鼓包型面不能有效的排除边界层。

山脊型扫掠涡流发生器SVG设计可以避免上述装置的一些重要缺点，可以显著地减小飞行器的横截面积与阻力。从气动力学分析，SVG结构从亚音速、跨音速到超音速范围内排移边界层的能力，同时飞行阻力也可减小。

发明内容

本发明提出的是一种山脊型扫掠涡流发生器（Swept Vortex Generator，简称SVG，见图1、图5）及生成方法，是一种新概念的进气道，这种新结构没有排放气系统，没有作动机构，它可以使进气道与不同形状的机身进行一体化设计；CFD结果表明，SVG结构改变气流的方向是基于两个气动现象，表面的压差与漩涡；压差与漩涡作用相结合，产生了一个有效的气流带去降低不同马赫数下低能流速度并改变其方向。SVG不仅可取代经典的隔道结构，还由于它设计的灵活性，可在结构多变的进气道入口上使用；最后，SVG作为一种新的设计方案，应用于空气动力设计方面，特别是在改变高速飞行器表面的低能流流动方向上。

本发明的技术解决方案：山脊型扫掠涡流发生器，其持征是在平面或曲面上生成山脊型结构，山脊型结构又由偏转线与横截面轮廓组合而成；其中偏转线角度为流线的偏转角，横截面形状如图3所示，由三段构成：ab段在迎风侧，由方程生成，为一段光滑的曲线，能保证来流阻力较小；bc段为圆弧，连接ab段与cd段；cd段在背风侧，为一垂线或曲线。

山脊型扫掠涡流发生器的生成方法，包括：

（1）依靠迎风侧与背风侧产生的压差形成涡流，将低能流排移，提高进气道入口气流的品质，在平面上确定偏转线（既边界层的新流向），偏转线是沿中心界面对称的两条线，具有相同的长度；

（2）在与山脊结构所在面垂直的平面上定义山脊脊顶轮廓（山脊顶部低压棱的投影，该棱线见图2）曲线，偏转线包含在山脊形结构中；

（3）设计二维横截面，该横截面边缘包括高压区、低压区及之间的压差表面；

（4）基于基准点，把设计的横截面沿着偏转线缩放成不同大小的横截面，基准点为横截面与偏转线的交点；

（5）定义两条偏转线之间的中心面，该中心面的横截形状可以为一段圆弧；

（6）把各部分结构进行有机组合，形成三维表面，即为山脊形结构。

本发明的优点：本发明侧重于SVG结构对边界层排移能力的研究，根据数值模拟，SVG可以在大范围马赫数范围内排除边界层低能流。在两个SVG结构之间，宽广的扫流区域被认为是SVG独有的特点，结合压缩表面就可以得到一个很好地结构；虽然进行优化周期是空气动力学设计所必须的阶段，但SVG结构的平面形状设计概念没有这一约束，另一方面SVG结构在不同的型面上都有足够的适应性；SVG的兼容性使得其结构在不同进口几何形状与压缩表面上设计与使用都有易操作性；SVG更显著的优势是减小阻力，通过使用SVG结构代替隔道，进气结构更贴近机身，飞行器的总横截面积减小，因此总阻力也减小；与经典的隔道结构相比，本发明没有遇到边界层分离和超音速时阻力剧增的情况。

附图说明

附图1是SVG基本结构图 。

附图2是SVG及周围压力分布图 。

附图3是SVG结构横截面图。

附图4是SVG结构横截面压力系数图。

附图5是SVG结构三维示意图。