[发明专利]一种高超声速边界层转捩流动控制试验装置及方法

说明书

本发明涉及高超声速流动控制领域，公开了一种高超声速边界层转捩流动控制试验装置及方法，所述装置包括尾支撑、红外相机、弯刀机构；待测模型置于喷管和收集器之间的试验区，所述待测模型与尾支撑连接，尾支撑设置在弯刀机构的端部，弯刀机构前方设置红外相机，所述方法包括（1）将待测模型置于自由射流式高超声速风洞中；（2）模拟不同攻角；（3）拍摄不同攻角下的待测模型表面的温度场图像，判断转捩发生的位置；（4）将待测模型表面的可替换段更换为纳米表面替换段，重复步骤（2）、（3），获得不同的转捩流动控制效果的对比图像。本发明解决了高超声速边界层转捩过程细微变化难以捕捉、层流设计以及层流流动控制综合性能难以评估判断的问题。

技术领域

本发明属于高超声速流动控制领域，更具体地涉及一种高超声速边界层转捩流动控制试验装置及方法。

背景技术

高超声速飞行器是未来各国武器装备研制竞争的战略制高点，随着高超声速技术的不断发展，部分高超声速武器已经逐步实现列装，以临近空间高超声速飞机为代表可重复使用的高超声速飞行器正成为当前各国争相研制的重点方向。

临近空间高超声速飞机不同于单次使用的高超声速飞行器，可重复使用的特点对其升阻比、载重量、航程、耗油率和经济性等方面提出了更高的要求，需要采取低阻力布局设计。层流布局是高超声速低阻气动布局可行的技术路径之一，当飞行器在高超声速状态下飞行时，其边界层包含了三种流态，分别为层流、湍流和二者之间的过渡区习惯上称为转捩区，相对于湍流流动，层流区具有更低的阻力和热载荷；所谓层流设计就是采用有效手段保持飞行器表面更大的层流区域，以起到减小飞行阻力和降低结构热负荷的效果。转捩流动控制是实现层流设计重要手段，流动控制的方法主要有粗糙元、多孔纳米表面、吹吸气和等离子体等，其中多孔纳米表面是高超声速流动中转捩流动控制最有效的方法之一，研究表明多孔纳米表面能够有效抑制在高超声速转捩过程中起主导作用的第二模态，从而达到扩大层流区延迟转捩的效果。

高超声速边界层转捩预测手段主要包括数值预测、风洞试验和飞行试验等，数值预测受限于待测模型、方法和计算资源等，预测精度和速度还无法用于评估工程复杂飞行器的转捩过程，飞行试验成本较高且飞行条件下的测试手段相对有限，因此在地面风洞试验中模拟转捩过程仍然是目前高超声速转捩问题研究的主要手段。

发明内容

为解决现有技术中高超声速边界层转捩过程细微变化难以捕捉、层流设计以及层流流动控制综合性能难以评估判断的问题，本发明提供一种高超声速边界层转捩流动控制试验装置及方法。

本发明采用的具体方案为：一种高超声速边界层转捩流动控制试验装置，所述装置包括尾支撑、红外相机、弯刀机构；待测模型置于喷管和收集器之间的试验区，所述待测模型与尾支撑连接，所述尾支撑设置在弯刀机构的端部，所述弯刀机构前方设置红外相机。

所述弯刀机构包括中部支架、弯刀刀片、弧形滑轨、基座、驱动电机，所述弯刀刀片和弧形滑轨通过螺栓连接并安装在所述基座上，所述驱动电机驱动弧形滑轨运动；待测模型通过尾支撑与弯刀机构中部支架连接，所述弯刀机构带动待测模型模拟不同的攻角。

所述待测模型表面设置可替换段。

所述红外相机外设置保护罩，所述保护罩前端安装锗玻璃。

所述待测模型为高超声速飞行器的机翼或平板。

另一方面，本发明提供一种高超声速边界层转捩流动控制试验方法，所述试验方法基于上述的高超声速边界层转捩流动控制试验装置，包括如下步骤：

（1）将待测模型置于自由射流式高超声速风洞中；

（2）将待测模型安装到弯刀机构上，弯刀机构带动待测模型运动，模拟不同攻角；

（3）利用红外相机拍摄不同攻角下的待测模型表面的温度场图像，利用层流区和湍流区温差区分判断转捩发生的位置；

（4）将待测模型表面的可替换段更换为纳米表面替换段，重复步骤（2）、（3），获得不同结构转捩流动控制效果的对比图像。