阅读说明：本技术 一种用于边界层转捩控制的“⊥”型凹腔结构 (Reverse T-shaped concave cavity structure for transition control of boundary layer ) 是由 禹旻 刘智勇 冯峰 杨武兵 于 2020-03-27 设计创作，主要内容包括：本发明一种用于边界层转捩控制的“⊥”型凹腔结构,该凹腔结构相比于原有凹腔结构,在底部增加了下凹腔部分,形成由上、下凹腔组合的“⊥”型凹腔结构。该凹腔结构用于转捩控制的实现方式为：首先通过数值模拟或风洞试验等手段,确定飞行器表面的转捩过程；然后将凹腔设置在需要进行流动控制的飞行器表面的转捩区上游；最后通过调整影响流动状态的重要外形参数和边界层参数达到所需的边界层转捩控制效果。本发明凹腔结构的优点在于：低压损、控制作用明显,不需要额外能量,产生噪声小。(Compared with the original concave cavity structure, the concave cavity structure is additionally provided with the lower concave cavity part at the bottom to form the inverted T-shaped concave cavity structure formed by combining the upper concave cavity and the lower concave cavity. The realization mode of the cavity structure for transition control is as follows: firstly, determining a transition process of the surface of the aircraft by means of numerical simulation or wind tunnel test and the like; then arranging the cavity on the upstream of a transition region on the surface of the aircraft needing flow control; and finally, the required boundary layer transition control effect is achieved by adjusting important appearance parameters and boundary layer parameters which influence the flow state. The concave cavity structure of the invention has the advantages that: low pressure loss, obvious control effect, no need of extra energy and low noise.)

一种用于边界层转捩控制的“⊥”型凹腔结构

技术领域

本发明涉及一种用于边界层转捩控制的“⊥”型凹腔结构，属于空气动力学技术领域，用于边界层转捩控制。

背景技术

实际流体的流动存在着层流和湍流两种流动状态。层流到湍流的转捩过程一直是流体力学研究的热点和难点。湍流边界层的摩阻和热流通常是层流边界层摩阻和热流的3～5倍，流体边界层的发展状况会在很大程度上影响表面摩擦阻力、传热性能等指标，影响飞行器设计，因此采用主动和被动的流动控制方法合理地控制边界层的流动特性具有重要意义。

被动类流动控制的特点是不需要额外能量的介入，使用方便、性能可靠，在目前是短期内能见到实际效果的控制技术，这些被动控制技术主要包括涡流发生器、凹腔、开孔、边界层强制转捩装置等。边界层固壁表面的凹腔可以导致流动达到转捩的前期，使下游流动达到湍流状态。对于凹腔流动控制装置，其外形参数长深比系数L/D和宽深比系数W/D会影响流动特性。根据凹腔流动类型可将其分为开式、过渡式和闭式凹腔：对于开式凹腔，前缘剪切层未触及腔底面便跨过腔体与后壁相撞；对于过渡式凹腔，在凹腔内部会存在膨胀波和剪切层，剪切层触及底面产生激波后随即向上偏离并与后壁相撞；对于闭式凹腔，气流在前缘加速膨胀产生膨胀波，剪切层触及腔底形成激波，波后为沿腔底面的附着流动，后壁前方气流向上抬起，产生激波。凹腔的宽深比系数W/D会加强开式凹腔的性质。

在工程设计中，如何有效地控制转捩，根据工程需求设计转捩控制装置，有效且可靠地达到推迟或者诱发流动转捩的出现，是本领域亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明主要针对转捩被动控制提出一种用于边界层转捩控制的“⊥”型凹腔结构，在原有凹腔的底部增加了下凹腔部分，形成由上、下两个凹腔组合而成的“⊥”型凹腔流动控制装置，该流动控制装置具有低压损、控制作用明显的特点。

本发明的技术解决方案是：

一种用于边界层转捩控制的“⊥”型凹腔结构，包括：上凹腔和下凹腔；

上凹腔和下凹腔共同形成一种倒T字型的凹腔结构；

上凹腔和下凹腔均为矩形结构，上凹腔横截面棱边L1长度小于下凹腔横截面棱边L2的长度，上凹腔横截面棱边L1与下凹腔横截面棱边L2平行；

上凹腔横截面高度D1大于下凹腔横截面高度D2，上凹腔的横截面厚度和下凹腔的横截面厚度均为W；

倒T字型的凹腔结构的深度D＝D1+D2；

倒T字型的凹腔结构设置在飞行器表面转捩区的上游，使倒T字型的凹腔结构对下游流动产生转捩控制的效果。

L1/D1<L2/D<10，0.5<W/D<1。

0.3<D/δ<1，其中，δ为凹腔结构前缘处的边界层名义厚度。

本发明与现有技术相比的优点在于：

1)本发明对原有凹腔控制装置改动量小，不与原有的影响转捩控制重要参数产生矛盾；

2)本发明在与原有凹腔控制装置同等深度的情况下，本发明的“⊥”型凹腔转捩控制装置的转捩控制效果更为明显；

3)本发明与原有凹腔控制装置相比，本发明的“⊥”型凹腔产生的自激振荡小，产生的噪声低。

附图说明

图1为本发明凹腔结构和普通凹腔结构对比示意图；

图2为本发明凹腔结构的侧视图；

图3为本发明凹腔结构的俯视图；

图4为边界层厚度随下游的演化；

图5平板上从层流到湍流转捩过程；

图6为凹腔下游处平均流速度剖面的变化情况；

图7为凹腔下游处不稳定区域的变化情况；

图8(a)图8(b)图8(c)为不同扰动随下游的演化；

图9凹腔底部的压强均方根。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的详细描述。

1)如图1所示，本发明为一种“⊥”型凹腔结构，该结构由上、下凹腔组成，上、下凹腔的长度和深度如图2所示，凹腔的宽度如图3所示；

2)使用数值模拟、风洞试验等手段根据来流马赫数、雷诺数、壁温等工况得到该飞行器的流动情况，计算边界层厚度δ；

3)如果是数值模拟则通过线性稳定性分析获得入口不稳定扰动，或在入口处加入白噪声，或在壁面吹引入吸扰动等方式模拟转捩过程；如果是风洞试验，则通过测量技术获得转捩过程；

4)将“⊥”型凹腔转捩控制装置放置于转捩区上游处；

5)通过调整上凹腔长深比系数L1/D1，下凹腔长深比系数L2/D2，凹腔宽深比系数W/D和边界层厚度与凹腔深度比系数δ/D，使得达到较优的转捩控制效果。

具体的，本发明一种用于边界层转捩控制的“⊥”型凹腔结构，包括：上凹腔和下凹腔；

上凹腔和下凹腔共同形成一种倒T字型的凹腔结构；

上凹腔和下凹腔均为矩形结构，上凹腔横截面棱边L1长度小于下凹腔横截面棱边L2的长度，上凹腔横截面棱边L1与下凹腔横截面棱边L2平行；

上凹腔横截面高度D1大于下凹腔横截面高度D2，上凹腔的横截面厚度和下凹腔的横截面厚度均为W；

倒T字型的凹腔结构的深度D等于上、下凹腔深度之和，即D＝D1+D2。

倒T字型的凹腔结构设置在飞行器表面的层流区域，也就是凹腔需设置在飞行器表面转捩区的上游，使倒T字型的凹腔结构对下游流动产生转捩控制的效果。

凹腔的外形参数设计如下：

(1)上凹腔长度与深度比系数L1/D1，下凹腔长度与深度比系数L2/D2，凹腔整体的宽度与深度比W/D，这几个凹腔外形参数是影响边界转捩控制的参数；

(2)根据飞行器表面对所能加工装置的合理控制，凹腔尺寸不宜过大，建议“⊥”型凹腔尺寸控制在L1/D1<L2/D<10，0.5<W/D<1。

凹腔前缘处的边界层名义厚度δ，其为从边界层壁面开始到沿着壁面切线的流动速度达到自由来流速度的99％的位置的垂直于壁面的高度，该边界层厚度对凹腔流动有重要影响，会影响自由剪切层的发展，影响底部凹腔的压力分布。

凹腔深度与边界层厚度比值系数D/δ，可作为转捩控制结果分析的关键参数，根据对转捩装置与边界层的影响关系研究建议0.3<D/δ<1。

实施例

下面以飞行器类平板区域上的方形凹腔边界层转捩为具体实例进行说明。

1)该工况来流马赫数为6，雷诺数为4.228*10⁶/m，壁温为600K，通过数值模拟计算得到层流流场，从而计算出边界层厚度，如图4所示；

2)在计算域入口处加入线性稳定性分析得到的扰动，通过直接数值模拟得到转捩过程，如图5所示；

3)转捩发生在500之后，将“⊥”型凹腔放置在转捩区上游处，定为450处，此处边界层厚度为3.5mm；

4)设上凹腔长度L1＝2，D1＝1.5，下凹腔长度L2＝5，D2＝0.5，凹腔宽度W＝2，此凹腔L1/D1＝1.3，L2/D＝2.5，W/D＝1，D/δ＝0.57，凹腔下游处平均流速度剖面如图6所示，可以看到本发明的凹腔下游流动明显发生改变，如图7所示不稳定区域也发生改变；

5)如图8(a)～图8(c)所示为不同频率的扰动随下游的演化，可以看到本发明的凹腔使得下游原本衰减的扰动重新增长起来，而原本增长的扰动还继续保持增长，这样使得流动越发不稳定，从而达到转捩控制效果；

6)如图9所示为凹腔底部的压强均方根，可以看到“⊥”型凹腔的压强脉动低于普通凹腔，凹腔中的压强脉动是一种自激振荡现象，可以作为判断噪声大小的量，因此本发明“⊥”型凹腔的噪声也低于普通凹腔。

以上通过飞行器类平板区域上方形凹腔边界层转捩为具体实例描述了本发明的具体实施方式，但并非是对本发明的限制，实际上，只要凹腔参数设计合理，其他外形的凹腔都可运用本发明的结构特点实现转捩控制。

本发明未详细描述内容为本领域技术人员公知技术。