[发明专利]一种利用涡脱落原理的流动转捩控制装置

说明书

本发明公开了一种利用涡脱落原理的流动转捩控制装置，包括设置在被控制物体边界层的可以产生扰动的支架，所述支架上固定有可以产生扰动的细丝；本发明的控制装置的特征尺寸小，带来的附加阻力、热流和总压损失等不利影响非常轻微；控制装置具有较大的参数变化范围，其中细丝的粗细、安装高度满足本发明所公开的公式即可，在此范围内，控制装置都有效，有利于根据实际需要自由设计。

技术领域

本发明涉及空气动力学领域，具体是涉及一种能把边界层流动从层流迅速转变成湍流的流动转捩控制装置。

背景技术

在流体(比如空气和水)与固定相互作用过程中，起主要作用的是固体壁面外薄薄一层——边界层。自然界的边界层流动具有两种截然不同的状态：层流和湍流。二者在摩擦阻力、噪声、热流和掺混等方面有巨大差别。层流与湍流之间的转变称为转捩，转捩控制对飞行器、发动机和水下舰艇等设计有重大意义。例如高超冲压发动机入口前添加转捩装置可以促使流动从层流转捩成湍流，从而提高发动机燃烧效率、对防止发动机不启动也非常关键。长航时无人机如果能在合适的位置控制流动变成湍流，则能防止机翼背风面流动过早分离，从而大大提高无人机在大攻角时的气动性能，提高突防能力。

在促进流动转捩控制方面，早在上世纪50年代，人们就知道利用粗糙带(如粗糙单元、涡流发生器)来促进转捩，并开展了大量的风洞试验和飞行试验研究,研究进展一直受到人们的高度关注。研究表明，基于高度k处无干扰流场参数定义的粗糙雷诺数Re_k＝u_kk/ν_k可以用来对很大范围的试验数据进行关联，这些数据包括钝头体和简单升力体。Doenhoff等对1960年代前的研究工作进行了总结，基于Re_k给出了转捩准则。另有一些采用吹吸、喷流、等离子体等的控制方法，但这些方法需要额外添加控制能量、控制装置复杂、应用并不广泛。目前，国内外比较成熟的提前转捩控制技术仍然采用被动控制方法，比如在风洞测试模型上贴转捩带，在发动机入口前添加涡流发生器等。

虽然国内外采用转捩带(或涡流发生器)来促进转捩的控制方法已经用于工程实际，但是目前也面临一些问题和不足：

现有的转捩控制装置的尺寸较大。为了实现转捩控制，涡流发生器或粗糙带的尺寸都比较大，高度通常为边界层厚度的量级(即毫米至厘米量级)，长度为高度的10倍左右。比如NASA二维和三维通用实验研究模型上的涡流发生器的高度为1.2mm和2.4mm；Balinskey等人所谓的微尺度涡流发生器，其高度也是毫米量级，长度甚至是厘米量级；美国Hyper-X43A转捩装置的高度也是将近1厘米；有时为了产生强的控制效果，还需要加大控制部件的尺寸，比如Serakawi等的涡流发生器为厘米量级。

现有转捩装置易引起总压损失。在超声速和高超声速情况下，这些转捩装置还会诱导出激波，产生激波/边界层干扰，降低下游流场总压，导致总压损失，且高度越高，这种不利影响越大。

现有转捩装置产生较大的附加阻力。大尺寸控制装置的还会导致阻力显著增加。

现有转捩装置增加热防护难度。在超速声和高超声速流动情况下，大尺寸控制装置热流数倍增加、导致高超声速情况下热防护困难。

发明内容

本发明的目的是针对现有流动转捩装置控制效率低，尺寸较大，易带来阻力增加、表面热流增加、总压损失等缺点，提出了尺寸小、效率高的促进层流转捩成湍流的控制方法，该方法利用细丝产生微型涡脱落，通过该涡脱落向流动持续注入扰动，从而促进流动转捩，该方法带来的附加阻力、热流和总压损失等不利影响非常轻微。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种利用涡脱落原理的流动转捩控制装置，包括设置在被控制物体边界层的可以产生扰动的支架，所述支架上固定有可以产生扰动的细丝。

在上述技术方案中，所述细丝的形态是直线、弯曲、分段中的一种。