[发明专利]一种被动延迟湍流转捩控制装置及方法

说明书

本发明属于湍流转捩控制技术领域，具体涉及一种被动延迟湍流转捩控制装置及方法。其技术方案为：一种被动延迟湍流转捩控制装置，包括圆锥体，圆锥体上设置有用于削弱在大攻角工况下的流向涡的粗糙单元，粗糙单元凸出于圆锥体表面。本发明提供了一种延迟湍流转捩以减小飞行器阻力的作用被动延迟湍流转捩控制装置及方法。

技术领域

本发明属于湍流转捩控制技术领域，具体涉及一种被动延迟湍流转捩控制装置及方法。

背景技术

层流到湍流的转捩对高超声速飞行器摩阻、热载荷具有很大影响。因此，了解层流到湍流的转捩现象和机理对飞行器设计很重要。对于高超声速边界层的稳定性以及转捩特征，如平板和圆锥流动，已经通过实验和理论分析进行了大量研究，获得了较为清晰的认识，如图3所示。图3表示湍流转捩发生之后，高超声速圆锥壁面摩擦系数急剧抬升。

对于高超声速飞行器而言，圆锥是典型的标模外形，而带攻角圆锥是典型的高超声速三维边界层流动。图4表示带攻角圆锥的典型湍流转捩流动特征。即在圆锥侧面主要是由定常横流涡主导转捩，而在圆锥背风区顶部是由流向涡主导转捩。其中，定常横流涡的厚度是边界层厚度尺度量级，而顶部中间流向涡的厚度是几个甚至十几个边界层的厚度。

被动湍流转捩控制技术主要是指不消耗能量的控制技术，在飞行器湍流转捩控制过程中用的最多的就是改变增加粗糙单元。对于高超声速大攻角圆锥侧面区域的湍流转捩流动，其由定常横流涡(stationary crossflow vortex)主导转捩如图4。对于大攻角侧面湍流转捩流动，目前证明采用微尺度粗糙单元可以有效控制定常横流涡主导的转捩过程。其方法即是圆锥前缘附近表面沿周向布置一周微尺度粗糙单元，如图5。图6表示圆锥周向分布粗糙单元放大细节图，粗糙单元为凹陷结构。其中粗糙单元的高度为µm量级。对于高超声速带攻角圆锥流动，在前缘附近周向布置一圈粗糙单元可以有效的抑制圆锥侧面流动区域由定常横流涡主导的转捩。其机理是定常横流扰动由圆锥前缘壁面粗糙度激发，而在其前缘附近布置一圈等间距的粗糙单元，则激发了次不稳定的定常横流扰动，抑制最不稳定的定常横流扰动从而达到了延迟转捩的目的。

然而，对于高超声速大攻角圆锥顶部背风区流动而言，流向涡是由流动分离产生，其尺度更大，微尺度粗糙单元对流向涡的稳定性几乎没有任何影响。因此，微尺度粗糙单元对延迟流向涡的湍流转捩也几乎没有任何影响。

发明内容

为了解决现有技术存在的上述问题，本发明目的在于提供一种延迟湍流转捩以减小飞行器阻力的作用被动延迟湍流转捩控制装置及方法。

本发明所采用的技术方案为：

一种被动延迟湍流转捩控制装置，包括圆锥体，圆锥体上设置有用于削弱在大攻角工况下的流向涡的粗糙单元，粗糙单元凸出于圆锥体表面。

大尺度粗糙单元布置在圆锥前缘附近，并且只布置1个。

针对高超声速大攻角圆锥背风起顶部流向涡流动，本发明的粗糙单元可以用于延迟高超声速大攻角圆锥背风区顶部流向涡湍流转捩。粗糙单元既可以削弱流向涡的强度，减弱其不稳定性而达到抑制湍流转捩的效果，起到延迟湍流转捩而减小飞行器阻力的作用。本发明的粗糙单元的设置一种被动控制技术，不需要主动消耗能量。

作为本发明的优选方案，所述粗糙单元的形状为山峰形状。

作为本发明的优选方案，所述粗糙单元与圆锥体的尖端的距离为20～80mm。其中，该距离具体指粗糙单元最高点与圆锥体的尖端的距离。

作为本发明的优选方案，所述粗糙单元在垂直于圆锥体中心线方向上的宽度为0.8～1.6mm。其中，该宽度的计算起止点的均为粗糙单元的弧面与圆锥体表面的切点。

作为本发明的优选方案，所述粗糙单元的高度为0.6～1.2mm。粗糙单元的高度指粗糙单元最高点与圆锥体中心线的距离减去圆锥体半径的值。