高效促进转捩的涡流发生器凹腔设计方法及涡流发生器

摘要

本发明公开了高效促进转捩的涡流发生器凹腔设计方法及涡流发生器，该方法包括选取转捩促发涡流发生器，并通过试验或数值模拟获取所述涡流发生器的尾迹失稳主导频率；在所述涡流发生器上选定凹腔加工位置，并根据所述涡流发生器的尾迹失稳主导频率计算所述凹腔的开口流向尺寸；在所述凹腔加工位置按照计算出的开口流向尺寸加工凹腔。本发明利用尾迹失稳过程存在主导频率的特点，通过在涡流发生器上或涡流发生器前方加工自激振荡频率与尾迹主导频率一致的凹腔，从而通过被动控制方法引入一个脉动信号与尾迹失稳主导频率产生共振，能够大大提高涡流发生器促发转捩的效果。

权利要求

1.一种高效促进转捩的涡流发生器凹腔设计方法，其特征在于，所述方法包括：选取转捩促发涡流发生器，并通过试验或数值模拟获取所述涡流发生器的尾迹失稳主导频率；

在所述涡流发生器上选定凹腔加工位置，并根据所述涡流发生器的尾迹失稳主导频率计算所述凹腔的开口流向尺寸；

所述凹腔的开口流向尺寸L计算方式为；

其中，f为尾迹失稳主导频率，U为凹腔开口位置的流向速度，M为凹腔开口位置的流向马赫数，n为模态数；

在所述凹腔加工位置按照计算出的开口流向尺寸加工凹腔。

2.如权利要求1所述的高效促进转捩的涡流发生器凹腔设计方法，其特征在于，所述方法还包括对加工凹腔后的涡流发生器进行试验或数值模拟观察获得凹腔自激振荡频率，若凹腔自激频率小于所述尾迹失稳主导频率，则减小所述凹腔的开口流向尺寸，若凹腔自激频率大于所述尾迹失稳主导频率，则增加所述凹腔的开口流向尺寸。

3.如权利要求1或2任一所述的高效促进转捩的涡流发生器凹腔设计方法，其特征在于，所述试验具体包括以下步骤：将所述涡流发生器放置于平板上；

在风洞中进行吹风试验，测量涡流发射器后方2‑5个涡流发生器尺度范围内的主导脉动频率，所述主导脉动频率即所述涡流发生器的尾迹失稳主导频率。

4.如权利要求1或2任一所述的高效促进转捩的涡流发生器凹腔设计方法，其特征在于，所述数值模拟具体包括以下步骤：将所述涡流发生器放置于平板上；

采用大涡模拟方法对平板‑涡流发生器外形作非定常数值模拟；

对结果作采样获得涡流发生器后方2‑5个涡流发生器尺度范围内的主导脉动频率，所述主导脉动频率即所述涡流发生器的尾迹失稳主导频率。

5.如权利要求1所述的高效促进转捩的涡流发生器凹腔设计方法，其特征在于，所述凹腔加工位置靠近所述涡流发生器尾部。

6.如权利要求1所述的高效促进转捩的涡流发生器凹腔设计方法，其特征在于，所述转捩促发涡流发生器包括长方体涡流发生器和斜坡型涡流发生器。

7.如权利要求1所述的高效促进转捩的涡流发生器凹腔设计方法，其特征在于，所述模态数的取值为n=2。

8.一种涡流发生器，其特征在于，所述涡流发生器包括根据权利要求1‑7任一所述的高效促进转捩的涡流发生器凹腔设计方法加工的凹腔。

说明书

高效促进转捩的涡流发生器凹腔设计方法及涡流发生器

技术领域

[0001] 本发明属于流动控制技术领域，尤其涉及高效促进转捩的涡流发生器凹腔设计方法及涡流发生器。

背景技术

[0002] 流动控制一般分为主动控制和被动控制两种方案。主动控制方案通常需要随时间变化的能量输入来达成控制目的，其优势是控制手段多样，易于实现针对设计指标的精准
控制，劣势是需要外加能量输入，增加了系统的复杂性和成本开销。被动控制方案则通过对
系统外形的改变来控制流动，不需要额外输入能量，仅通过外形变动产生的流体形态改变
来达成控制目的。

[0003] 流体流动分为层流和湍流两种形态。层流形态的摩擦阻力、壁面热流和流动噪声较小，而湍流形态则更为稳定、并且具有更好的掺混效果。流动从层流形态转变为湍流形态
称为转捩。转捩控制是流动控制中的一类典型问题，即通过促发或推迟流动转捩来达成控
制目的。

[0004] 促发转捩的涡流发生器的典型的应用场景是高超声速吸气式飞行器前体。这种飞行器利用飞行器前体实现对来流的预压缩，并使得压缩后的气流进入到发动机唇口。由于
层流气流的不稳定性，很容易在前体表面出现分离，从而影响发动机唇口的流动捕获量、降
低发动机效率，严重时甚至导致发动机不启动。在前体加入涡流发生器以促发转捩是解决
这一问题的常用方法。

[0005] 促发转捩的涡流发生器设计，希望涡流发生器实现尽可能提前的转捩效果，而对流场的其他影响尽快降低。通常，涡流发生器尺寸越大，促发转捩的效果越好，但也会对流
场带来更大的影响。在给定可接受的涡流发生器大致尺寸的前提下，传统的设计方法是通
过改变涡流发生器的形状，从而改变涡流发生器尾迹流动的旋涡形态来达到优化的目的，
但改变涡流发生器的形状成本较高，需要重新测试、设计、制造整个涡流发生器。

发明内容

[0006] 本发明的目的在于，为克服现有技术缺陷，提供了高效促进转捩的涡流发生器凹腔设计方法及涡流发生器,利用尾迹失稳过程存在主导频率的特点，通过在涡流发生器上
或涡流发生器前方加工自激振荡频率与尾迹主导频率一致的凹腔，从而通过被动控制方法
引入一个脉动信号与尾迹失稳主导频率产生共振，能够大大提高涡流发生器促发转捩的效
果。

[0007] 本发明目的通过下述技术方案来实现：

[0008] 一种高效促进转捩的涡流发生器凹腔设计方法，所述方法包括：

[0009] 选取转捩促发涡流发生器，并通过试验或数值模拟获取所述涡流发生器的尾迹失稳主导频率；

[0010] 在所述涡流发生器上选定凹腔加工位置，并根据所述涡流发生器的尾迹失稳主导频率计算所述凹腔的开口流向尺寸；

[0011] 在所述凹腔加工位置按照计算出的开口流向尺寸加工凹腔。

[0012] 进一步的，所述凹腔的开口流向尺寸L计算方式为

[0013] ；

[0014] 其中，f为尾迹失稳主导频率，U为凹腔开口位置的流向速度，M为凹腔开口位置的流向马赫数，n为模态数。

[0015] 进一步的，所述方法还包括对加工凹腔后的涡流发生器进行试验或数值模拟观察获得凹腔自激振荡频率，若凹腔自激频率小于所述尾迹失稳主导频率，则减小所述凹腔的
开口流向尺寸，若凹腔自激频率大于所述尾迹失稳主导频率，则增加所述凹腔的开口流向
尺寸。

[0016] 进一步的，所述试验具体包括以下步骤：

[0017] 将所述涡流发生器放置于平板上；

[0018] 在风洞中进行吹风试验，测量涡流发射器后方2‑5个涡流发生器尺度范围内的主导脉动频率，所述主导脉动频率即所述涡流发生器的尾迹失稳主导频率。

[0019] 进一步的，所述数值模拟具体包括以下步骤：

[0020] 将所述涡流发生器放置于平板上；

[0021] 采用大涡模拟方法对平板‑涡流发生器外形作非定常数值模拟；

[0022] 对结果作采样获得涡流发生器后方2‑5个涡流发生器尺度范围内的主导脉动频率，所述主导脉动频率即所述涡流发生器的尾迹失稳主导频率。

[0023] 进一步的，所述凹腔加工位置靠近所述涡流发生器尾部。

[0024] 进一步的，所述转捩促发涡流发生器包括长方体涡流发生器和斜坡型涡流发生器。

[0025] 进一步的，所述模态数的取值为n=2。

[0026] 另一方面，本发明还提供了一种涡流发生器，所述涡流发生器包括根据前述任一种高效促进转捩的涡流发生器凹腔设计方法加工的凹腔。

[0027] 本发明的有益效果在于：

[0028] （1）本发明提供的高效促进转捩的涡流发生器凹腔设计方法及涡流发生器，利用尾迹失稳过程存在主导频率的特点，通过在涡流发生器上或涡流发生器前方加工自激振荡
频率与尾迹主导频率一致的凹腔，从而通过被动控制方法引入一个脉动信号与尾迹失稳主
导频率产生共振，能够大大提高涡流发生器促发转捩的效果。

[0029] （2）本发明提供的高效促进转捩的涡流发生器凹腔设计方法，采用共振原理加快尾迹失稳过程，提高转捩促发效率，具有成本低、实现简单、不易出故障的优点，并且适用于
优化已有的任何促发转捩的涡流发生器。

附图说明

[0030] 图1是本发明实施例提供的高效促进转捩的涡流发生器凹腔设计方法流程示意图；

[0031] 图2是本发明实施例提供的现有的斜坡型涡流发生器外形示意图；

[0032] 图3是本发明实施例提供的加工凹腔后的斜坡型涡流发生器外形示意图；

[0033] 图4是本发明实施例提供的加工凹腔后的斜坡型涡流发生器正视图；

[0034] 图5是本发明实施例提供的加工凹腔后的涡流发生器与传统涡流发生器促发转捩的最大湍动能对比图；

[0035] 图6是本发明实施例提供的加工凹腔后的涡流发生器与传统涡流发生器促发转捩的平均湍动能对比图。

具体实施方式

[0036] 以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实
施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离
本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施
例中的特征可以相互组合。

[0037] 基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0038] 在涡流发生器尾迹流动扰动增长中，主导频率增长是尾迹流动转捩的控制因素。当扰动频率/尾迹主导频率=1时，流动转捩最为靠前。

[0039] 本实施例采用被动控制方案，通过对涡流发生器外形的改变来控制流动，具体地，在涡流发生器前方（对流动速度较低的情形，尾迹流动主导频率低，需要的凹腔尺寸偏大的
情况下，可以将凹腔放在涡流发生器前方）开设一个凹腔。凹腔的尺寸按照其自激振荡频率
加以决定。

[0040] 参照图1，如图1所示是本实施例提供的高效促进转捩的涡流发生器凹腔设计方法流程示意图，该方法具体包括以下步骤：

[0041] 步骤S100：选取转捩促发涡流发生器，并通过试验或数值模拟获取涡流发生器的尾迹失稳主导频率。

[0042] 具体地，按照具体问题的要求给出一个传统外形的转捩促发涡流发生器外形。高超声速转捩促发最常采用的涡流发生器包括长方体涡流发生器和斜坡型涡流发生器。其
中，斜坡型涡流发射器以其促发转捩效率高、附带的加热量小等优点应用最为广泛，参照图
2，如图2所示是本实施例提供的现有的斜坡型涡流发生器外形示意图。

[0043] 步骤S200：在涡流发生器上选定凹腔加工位置，并根据涡流发生器的尾迹失稳主导频率计算凹腔的开口流向尺寸。

[0044] 具体地，本实施例提供的凹腔的开口流向尺寸L计算方式为

[0045] ；

[0046] 其中，f为尾迹失稳主导频率，U为凹腔开口位置的流向速度，M为凹腔开口位置的流向马赫数，n为模态数。

[0047] 需要说明的是，经验表明模态数n取n=2时，由开口流向尺寸L的计算式反解出的频率值f与试验测量的主导频率最为接近，因此当模态数n=2时，
计算出的开口流向尺寸L更加准确。

[0048] 作为一种实施方式，凹腔的作用是产生促发下游转捩的共振频率，其加工位置可取在尽量靠近涡流发生器尾部的位置。

[0049] 步骤S300：在凹腔加工位置按照计算出的开口流向尺寸加工凹腔。

[0050] 需要说明的是，凹腔的深度和宽度数据影响不大，通常取为与开口流向尺寸同一量级即可。

[0051] 作为一种实施方式，本实施提供的高效促进转捩的涡流发生器凹腔设计方法还包括对加工凹腔后的涡流发生器进行试验或数值模拟观察获得凹腔自激振荡频率，若凹腔自
激频率小于尾迹失稳主导频率，则减小凹腔的开口流向尺寸，若凹腔自激频率大于尾迹失
稳主导频率，则增加凹腔的开口流向尺寸，进一步优化凹腔带来的促发转捩效果。

[0052] 前述的试验具体包括以下步骤：

[0053] 将涡流发生器放置于平板上；

[0054] 在风洞中进行吹风试验，测量涡流发射器后方2‑5个涡流发生器尺度范围内的主导脉动频率，主导脉动频率即涡流发生器的尾迹失稳主导频率。

[0055] 前述的数值模拟具体包括以下步骤：

[0056] 将涡流发生器放置于平板上；

[0057] 采用大涡模拟方法对平板‑涡流发生器外形作非定常数值模拟；

[0058] 对结果作采样获得涡流发生器后方2‑5个涡流发生器尺度范围内的主导脉动频率，主导脉动频率即涡流发生器的尾迹失稳主导频率。

[0059] 参照图3和图4，如图3所示是本实施例提供的加工凹腔后的斜坡型涡流发生器外形示意图，如图4所示是本实施例提供的加工凹腔后的斜坡型涡流发生器正视图。这里给出
的是针对高超声速边界层转捩的涡流发生器外形，因为尾迹主导频率较高，凹腔可以直接
设计在涡流发生器上。

[0060] 为了证明本实施例提供的高效促进转捩的涡流发生器凹腔设计方法加工后的涡流发生器的实际效果，将加工凹腔后的涡流发生器与传统的涡流发生器进行对比。参照图5
和图6，如图5所示是本实施例提供的加工凹腔后的涡流发生器与传统涡流发生器促发转捩
的最大湍动能对比图，如图6所示是本实施例提供的加工凹腔后的涡流发生器与传统涡流
发生器促发转捩的平均湍动能对比图。从图5和图6中可以看出，基于本实施例提供的高效
促进转捩的涡流发生器凹腔设计方法设计的涡流发生器比原有外形转捩完成位置提前了
约17.7%。考虑到原有外形本身已经是长期实践的基础上充分优化的结果，本实施例提供的
高效促进转捩的涡流发生器凹腔设计方法的效果可以说是非常显著的。

[0061] 本实施例提供的高效促进转捩的涡流发生器凹腔设计方法，适用于优化已有的任何促发转捩的涡流发生器。尽管本发明是采用共振原理加快尾迹失稳过程，提高转捩促发
效率，但采用的仍然是被动控制方法，具有成本低、实现简单、不易出故障的优点。

[0062] 传统的促发转捩的涡流发生器，是通过其尾迹失稳来达到促发转捩的效果。本发明利用尾迹失稳过程存在主导频率的特点，通过在涡流发生器上或涡流发生器前方加工自
激振荡频率与尾迹主导频率一致的凹腔，从而通过被动控制方法引入一个脉动信号与尾迹
失稳主导频率产生共振，能够大大提高涡流发生器促发转捩的效果。

[0063] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。