[发明专利]一种减弱湍流边界层气动光学效应的定常吹吸方法

说明书

本发明属于空气动力学和光学工程交叉的领域，公开了一种减弱湍流边界层气动光学效应的定常吹吸方法。具体步骤包含确定吹吸扰动函数形式、给定函数变量具体形式和参数、给定函数变量具体形式和参数三个步骤，本发明实现了湍流平板边界层的定常吹吸控制，解决了减弱湍流气动光学效应的问题，可以在较大控制强度范围内有效减弱湍流区域的气动光学效应值，其原理是通过定常扰动压制流动非定常涡发展。相比于传统非定常吹吸控制方案，本发明的高效易行，对基于流动控制的湍流边界层现象研究，和光学成像制导飞行器设计具有参考价值。

技术领域

本发明涉及空气动力学和光学工程交叉的学科领域，所提出的方法适用于湍流边界层流动机理研究、光学成像制导飞行器设计等问题。

背景技术

当成像制导飞行器在大气中高速飞行时，视窗附近的流场会变得极为复杂。由于马赫数、雷诺数较高，飞行器头部会形成激波结构，窗口附近的流动也会产生湍流边界层、剪切层等现象。带有光学成像制导系统的高速飞行器在大气层内飞行时，光学头罩与来流之间形成复杂流场，对光学成像探测系统造成热、热辐射和图像传输干扰，造成目标图像偏移、抖动、模糊和成像强度下降，这种效应称为气动光学效应(Aero-Optical Effect)。随着精确制导需求的发展，气动光学现象逐渐被各航空航天大国所重视，其在军事领域的应用背景尤为明显。精确打击武器对信息获取的精确性和时效性依赖程度越来越大，所以采用光学成像探测跟踪技术已成为精确打击发展的必然趋势。相对于传统的惯性制导、指令制导和无线电末制导，光学探测的方式具有高精度、抗干扰能力强的特点。

从空气动力学和光学工程交叉的视角，气动光学的研究对象主要是壁面流动、混合层、凸台等对光线偏折和光程分布的影响。光线在流场中传播，流场密度ρ与气体折射率n的关系通过如下关系式计算

n＝1+ρK_GD

K_GD(单位：m³/kg)是Gladstone Dale常数，由光的波长λ确定。光程(Optical PathLength，OPL)定义为折射率沿光轴z传播方向的积分

而光程差(Optical Path Difference，OPD)反映的是波前畸变程度，定义为

OPD(x,y,t)＝OPL(x,y,t)-OPL(x,y,t)

其中〈OPL(x,y,t)〉是光瞳平面内空间平均运算。如何减弱气动光学效应、提升成像制导探测精度是一个亟待解决的问题，具有很强的学术研究和工程应用价值。

平板流动引起的湍流附面层是这一工程领域的常见物理模型，具有重要的研究意义，但是目前基于流动控制方法减弱气动光学效应的研究非常少见。Michael D.White等人于2013年的第51届AIAA宇航科学会议中发表论文Computational Investigation of WallCooling and Suction on the Aberrating Structures in a Transonic BoundaryLayer，指出壁面抽气有可能实现气动光学效应减弱，但非定常抽气模型的效率较低。孙喜万等2020年于Journal of Turbulence期刊发表论文Aero-optical suppression forsupersonic turbulent boundary layer，指出采用适当强度的非定常抽气可以控制湍流边界层进入层流状态，这一方法需要对流场结果进行合理预测，较难实施；或采用较强的非定常抽气扰动，虽然下游重新出现湍流结构，但也有减弱气动光学效应的潜力，但是其需要较大幅值而效率较低。总体而言，采用非定常吸气实现边界层气动光学减弱需要合理预测强度，或效率不高，缺乏可行性。因此，急需研究有效的减弱湍流平板边界层气动光学效应的操作方法。吹吸扰动主要有三种，即吹吸、单一吹气和单一吸气扰动。

发明内容