[发明专利]一种主被动组合的超高速边界层转捩宽频控制方法

说明书

本发明公开一种主被动组合的超高速边界层转捩宽频控制方法，在超高速飞行器表面需要控制边界层转捩的区域安装转捩宽频控制结构，转捩宽频控制结构包括合成双射流激励器与微孔隙板，微孔隙板设在飞行器的表面上并覆盖合成双射流激励器的射流出口；微孔隙板通过被动控制抑制第二模态，合成双射流激励器通过主动控制抑制第一模态；通过主被动控制相结合实现第一模态、第二模态兼顾的宽频范围转捩控制。既增强孔隙表面对宽频扰动波的抑制能力，又减小表面粗糙度，理论上有望集成剪切增稳与吸声机理，工程上有利于实现热防护和延迟转捩双目标，并且可以通过合理布置合成双射流激励器的吸气区域和喷气区域，能够有效的扩大控制参数范围。

技术领域

本发明涉及边界层流动控制技术领域，具体是一种基于微孔隙与合成双射流主被动组合的超高速边界层转捩宽频控制方法。

背景技术

边界层转捩通常是指边界层流动由层流状态发展为湍流状态的过程，是一个多因素耦合影响的强非线性复杂流动物理现象。转捩问题是经典力学遗留的少数基础科学问题之一，与湍流问题一起被称为“百年(或世纪)难题”。超高速边界层从层流到湍流的转捩一直是制约飞行器设计的关键基础问题之一，超高速边界层转捩及其控制也是事关高超重大工程成败的关键。

孔隙表面被认为是最接近工程应用的转捩控制技术。孔隙表面是一种由规则或随机分布的微腔构成的薄层，进入微腔内的声学扰动引起内部空气的剧烈运动，使其与腔体壁面摩擦，在粘性耗散作用下，声学扰动的部分机械能转化为热能。另外，流动中有声学扰动经过时，会产生压缩和膨胀的变化，压缩区温度升高，膨胀区温度降低，相邻压缩区和膨胀区之间的温度梯度会导致热量从温度高的部分向温度低的部分发生热传导。这个过程是不可逆的，声学扰动的部分机械能也会转化为热能。因此在粘性耗散和热传导的共同作用下，第二模态波的机械能转化为热能，第二模态不稳定波受到抑制，进而延迟边界层转捩。多孔包覆材料控制超高速边界层流动稳定性最早由俄罗斯Fedorov教授提出并予以实验验证。随后Yumashev和Bres、Tritarelli等都对其进行了研究，发现其能够减小第二模态的能量。但是其也使得第一模态发生了失稳，Stephen对这一现象进行了详细的研究。Wang通过大量数值计算，认为最有效的控制手段就是在同步点的下游位置布置多孔包覆材料。Gaponov对多孔壁面控制Ma2超声速平板边界层转捩进行了数值模拟和实验研究，对比了无孔的不锈钢板、开孔率39％的10μm孔不锈钢和32％开孔率的40μm的钛，实验结果与线性稳定性分析结果基本一致，多孔壁面能够使得边界层内的扰动失稳，促进转捩发生，孔径大小增加时，扰动的增长率也增加。。

国内学者近年来也开始关注微孔隙表面抑制转捩研究。2016年，中国航天空气动力技术研究院朱德华等人使用基于阻抗边界的LST和DNS方法比较了三维顺排和错排的矩形微孔对第二模态扰动的作用，研究表明两种排布方式都可以抑制第二模扰动的发展，但顺排多孔表面推迟超高速边界层转捩能力更强。2018年，北京理工大学赵瑞等人考虑孔隙表面微结构之间的声学干扰，重新推导了规则孔隙表面(微缝隙/圆孔/方孔)的作用机理模型，提高了对孔隙表面声学特性的预测精度，并提出一种数值优化设计方法，可得到单频最优吸声效果下的微结构几何参数；随后(2019年)他们使用空间DNS方法直接求解微孔隙对第一/二模态的空间影响规律，发现孔隙表面布置位置对不稳定模态的抑制效果影响重大；另外，他们进一步提出声学超表面概念，并设计一种近零阻抗孔隙结构表面。与以往通过孔隙内粘性耗散吸收第二模态扰动波的机理不同，近零阻抗超表面通过使入射声波与反射声波在表面处相位相反，强度相互抵消，实现抑制第二模态发展的目的。针对孔隙表面容易激发第一模态的缺陷，赵瑞等还研究了表面阻抗相位对第一模态/第二模态的影响规律，并针对马赫数4平板边界层流动，设计了一种在不激发第一模态的前提下，有效抑制第二模态的孔隙结构。