[发明专利]一种超声速湍流边界层的减阻方法

说明书

本发明公开了一种超声速湍流边界层的减阻方法，通过在飞行器表面的湍流区域壁面温度上叠加一个沿流动方向上的宽度为100个粘性尺度的温度波动条纹，得到壁面温度分布；并通过在飞行器表面的湍流区上印刷微尺度的网状电阻丝，并在网状节点处印刷上热电偶元件用于即时监测壁面温度，通过计算机控制壁面上各支路电阻丝的发热功率使得壁面温度满足确定的壁面温度分布。与现有技术相比，本发明的积极效果是：本发明通过在物面采用电路印刷技术印刷上微尺度的电阻丝电路，并采用计算机控制各支路的电阻丝发热功率，从而实现表面温度分布的精确控制，通过温度脉动场和速度脉动场的相互影响，限制速度条带的发展，能够抑制湍流脉动，降低阻力。

技术领域

本发明涉及流体力学领域，具体涉及超声速湍流边界层流动，通过引入特定的壁面温度分布实现对边界层内湍流的控制，并实现摩擦阻力的降低。

背景技术

降低大型运输机和远程轰炸机的表面阻力可以提高速度，节约燃料，增加航程，提升运力。在它们的总阻力中，摩擦阻力占有很大的比重，例如典型飞机的表面摩擦阻力约占总阻力的50％，物体表面摩阻根据流态可分为层流摩阻和湍流摩阻两种，对于绝大多数的飞行器而言，80％的表面都是处于湍流状态，其湍流摩阻要比层流情况下大约1个数量级，因此降低湍流摩阻是飞行器减阻设计中最重要的工作，其方法之一就是直接对表面充分发展的湍流进行控制以达到抑制湍流降低阻力的目的。研究发现，通过对湍流的控制不但能够实现摩阻的降低还能在很大程度上降低相应的噪声辐射，可以提高声隐蔽能力和乘坐舒适性。在能源日趋紧张，环境污染日益严重的今天，湍流减阻控制技术在国际上引起了广泛的重视，并已被美国航空和宇宙航行局列为21世纪的航空关键技术之一。

为了降低物体表面的阻力相应的减阻技术很多，大多是针对不可压缩流动，例如在壁面流动中添加气泡，添加高分子聚合物，使用柔性壁面，沟槽壁面等等。这类技术对应的流动速度比较低，相应的流动控制和减阻比较容易实现，但是对于超声速流动而言其效果就大打折扣。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺点，本发明提出了一种超声速湍流边界层的减阻方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种超声速湍流边界层的减阻方法，包括如下步骤：

步骤一、确定飞行器表面的湍流区域、其上任意p点的流动方向(由于壁面速度为零，这里的流动方向其实是指极限流向方向)及壁面温度T_w(p)；

步骤二、在壁面温度T_w(p)上叠加一个流动方向上的宽度为100个粘性尺度η的温度波动条纹T′(p)，得到壁面温度分布T(p)＝T_w(p)+T′(p)；

步骤三、壁面温度控制的实现：

在飞行器表面的湍流区上印刷微尺度的网状电阻丝，并在网状节点处印刷上热电偶元件用于即时监测壁面温度，通过计算机控制壁面上各支路电阻丝的发热功率使得壁面温度满足步骤二确定的壁面温度分布。

与现有技术相比，本发明的积极效果是：本发明通过在物面采用电路印刷技术印刷上微尺度的电阻丝电路，并采用计算机控制各支路的电阻丝发热功率，从而实现表面温度分布的控制，最终在壁面上实现流向的温度条纹分布，该条纹宽度与湍流边界层的速度条带宽度尺度相当，约为100个粘性尺度；根据雷诺比拟理论实现温度脉动场和速度脉动场的相互影响，限制速度条带的发展，进一步根据湍流自维持理论，展向发展受限的速度条带能够抑制湍流脉动，降低阻力。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1为机翼表面的流动示意图，其中：1远场来流，2机翼，3壁面边界层内的速度分布，4壁面速度方向，5湍流区，6层流区；

图2为壁面温度分布条纹示意图；