超聲速鈍后緣混合層的主動控制裝置的制作方法

本發明涉及超聲速技術領域，具體的涉及一種超聲速鈍后緣混合層的主動控制裝置。

背景技術：

引射是指在火箭發射過程中將火箭燃氣與來流空氣進行超聲速混合，該過程作為火箭基組合發動機(rocketbasedcombinedcycle，rbcc)的關鍵過程，對于rbcc而言，自由來流經過一系列進氣道，在噴管尾緣與噴管燃氣接觸，當兩者的混合達到分子層面時即可發生化學反應，實現利用空氣中氧氣達到提高發動機比沖的目的。然而由于來流速度過高，空氣僅能在燃燒室內的駐留時間<1-3ms，引射效率的高低取決于燃氣是否能與空氣快速高效的混合，同時決定了整個推進系統的性能。

火箭燃氣的溫度極高(>3500k，噴管喉部熱流密度達到107～108w/m²)，噴管出口的溫度也超過2500k。為了保護引射火箭的幾何結構，現有的冷卻方式會導致后緣厚度的增加，形成超聲速鈍后緣混合層，其流場結構如圖1所示。由自由來游發展的上下邊界層在隔板后緣的幾何拐角處分離，經過劇烈的膨脹過程形成自由剪切層。這兩股從鈍后緣拐角發展出來的自由剪切層在下游交匯形成再附點，由于彼此的阻礙作用發生再壓縮過程，在超聲速流動中形成一系列弱壓縮波，匯聚為再附激波。剪切層交匯后分成兩個部分，一小部分向上游運動，由于固壁和另一個剪切層的存在形成回流區；大部分向下游運動，形成再發展混合層。由于在鈍后緣產生回流區，使得超聲速鈍后緣混合層具有全局不穩定性，

目前對超聲速混合層厚度的控制方式包括主動控制和被動控制。被動控制以在尾緣(即隔板遠離來流方向的一端)上增設突片、鋸齒、波瓣等結構，從而產生流向渦或不穩定脈動，達到對超聲速混合層厚度的控制。被動控制方式結構簡單、控制效果明顯，但尾緣結構固定無法實現根據來流情況進行調整的變控制效果。

主動控制則是通過向被控流場中主動注入氣體，通過注入的氣體改變流場的能量和動量，進而改變流場的特征結構，達到控制摻混的作用。最早的主動控制為在超聲速來流的上游添加厚度僅為1mm左右的振片，利用機械振動的方式產生振動從而控制產生一系列的拍打渦對，加快混合層的轉捩過程。通過在上游安裝正弦振型的振片后，混合層中出現周期性的渦結構。同時現有技術中還存在將上游激勵改為雙頻擾動的控制方式，進一步增強混合層的增長效率，從而縮小鈍后緣的厚度。在實際工程實踐中組合發動機燃燒室內的高溫燃氣容易將振片熔化，導致控制失效。

技術實現要素：

針對以上技術問題，本發明的目的在于提供了一種超聲速鈍后緣混合層的主動控制裝置。

本發明提供一種超聲速鈍后緣混合層的主動控制裝置，包括彼此隔絕的第一腔體和第二腔體，第一腔體和第二腔體容納設置于遠離超聲速來流隔板的一端內，隔板的尾緣上間隔設置第一開口和第二開口，第一腔體通過第一開口與超聲速來流相連通；第二腔體通過第二開口與超聲速來流相連通；第一腔體與第二腔體通過振動膜片隔離。

進一步地，第一開口的中心線平行于超聲速來流方向設置于隔板的端面上；第二開口的中心線平行于超聲速來流方向設置于隔板的端面上。

進一步地，第一開口的中心線垂直于超聲速來流方向設置于隔板的端面上；第二開口的中心線垂直于超聲速來流方向設置于隔板的端面上。

進一步地，隔板包括隔板第一部和隔板第二部，第一腔體和第二腔體容納設置于隔板第一部內，隔板第二部的一端與隔板第一部的一端相連接。

進一步地，隔板第一部和隔板第二部通過貫穿隔板第二部的固定螺釘固定連接。

進一步地，振動膜片為由電信號控制的壓電陶瓷金屬片。

進一步地，電信號為正弦波、三角波、方波或不對稱方波中的任一種。

進一步地，還包括蓋板，隔板上設有敞口腔體，蓋板蓋設于敞口腔體上，與敞口腔體圍成第一腔體和/或第二腔體。

本發明的技術效果：

本發明提供的超聲速鈍后緣混合層的主動控制裝置，通過在隔板的尾緣內設置具有主動控制射流的結構，將主動控制和被動控制相結合，既避免了主動控制中振片容易熔化的問題，又實現了多種控制模式自由選擇。實現了主動、被動控制相結合，取長補短的效果。

本發明提供超聲速鈍后緣混合層的主動控制裝置，設置于隔板內部，機械結構簡單，不影響原流道。可根據不同飛行工況的需要，通過給振動膜片施加不同的電信號，在射流出口處形成不同的控制射流，與原流場相互作用，從而改變混合層的發展情況，達到對混合層的不同控制效果。

本發明提供超聲速鈍后緣混合層的主動控制裝置，可以激發起超聲速鈍后緣混合層流動的不穩定性，從而達到以小博大的控制效果。通過仿真實驗可知，本發明提供的裝置以峰值速度為20m/s的周期性射流來控制平均速度為500m/s的流場，用4％的流場能量使得混合層厚度增長了1.5倍。

具體請參考根據本發明的超聲速鈍后緣混合層的主動控制裝置提出的各種實施例的如下描述，將使得本發明的上述和其他方面顯而易見。

附圖說明

圖1是現有冷卻方式下形成的超聲速鈍后緣混合層示意圖；

圖2是本發明優選實施例中超聲速鈍后緣混合層的主動控制裝置的俯視示意圖；

圖3是本發明優選實施例中超聲速鈍后緣混合層的主動控制裝置的右視示意圖；

圖4是本發明優選實施例中超聲速鈍后緣混合層的主動控制裝置的主視示意圖；

圖5是本發明優選實施例中提供的圖2的a-a向剖視示意圖；

圖6是本發明另一優選實施例中提供的圖2的a-a向剖視示意圖；

圖7是本發明優選實施例中采用超聲速鈍后緣混合層的主動控制裝置控制后所得射流周期內不同時間的流場云圖，其中a)是振動周期的1/4t時；b)是振動周期的2/4t時；c)是振動周期的3/4t時；d)是振動周期的t時；

圖8是本發明優選實施例中振動膜片處于不同振動狀態下的周期平均的流場云圖，其中，a)是振動膜片不振動時；b)是振動膜片振動時；

圖9是本發明優選實施例中本發明優選實施例中振動膜片處于不同振動狀態下的標量厚度分布。

圖例說明：

100、隔板第一部；200、隔板第二部；110、蓋板；112、第一開口；114、第二開口；113、固定螺釘；120、振動膜片；115、第一腔體；116、第二腔體；300、超聲速來流。

具體實施方式

構成本申請的一部分的附圖用來提供對本發明的進一步理解，本發明的示意性實施例及其說明用于解釋本發明，并不構成對本發明的不當限定。

參見圖2～4，本發明提供的超聲速鈍后緣混合層的主動控制裝置，設置于隔板遠離超聲速來流300一端的尾緣上。

隔板可以為一端相互連接的隔板第一部100和隔板第二部110。此處的拼接可以為插拼也可以為膠接。在一個實施例中，隔板第一部100和隔板第二部110通過固定螺釘113相連接，固定螺釘113貫穿隔板第一部100后與隔板第二部110相連接。

參見圖2和5，隔板第一部100的中部設有腔體，腔體通過開設于隔板第一部100和隔板第二部110側面上的第一開口112和第二開口114與超聲速來流300相連通。第一開口112和第二開口114可以正對設置，也可以相互間隔設置。第一開口112和第二開口114靠近于遠離超聲速來流300的一端設置。第一開口112的中心線垂直于超聲速來流300方向設置于隔板的端面上；第二開口114的中心線垂直于超聲速來流300方向設置于隔板的端面上。在另一實施例中，隔板上設置敞口腔體，蓋板蓋設于敞口上以形成第一腔體115和/或第二腔體116。減少對隔板的損失。蓋板通過螺釘固定于隔板上。

參見圖5，腔體內設有振動膜片120，振動膜片120設置于腔體的中心線上，將腔體分割為彼此隔絕的第一腔體115和第二腔體116。第一腔體115通過第一開口112與超聲速來流300相連通。第二腔體116通過第二開口114與超聲速來流300相連通。

參見圖6，在另一實施例中，第一開口112和第二開口114均開設于隔板第一部100與隔板第二部110相對的端面上。第一開口112的中心線平行于超聲速來流300方向設置于隔板的端面上；第二開口114的中心線平行于超聲速來流300方向設置于隔板的端面上。

優選的，振動膜片120為壓電陶瓷金屬片。

使用時，在隔板上下來流的情況下，通過對振動膜片120施加電信號，控制振動膜片120振動。當振動膜片120向第一開口112運動時，第一腔體115體積受到壓縮，在第一開口112處形成外噴射流。相應此時第二腔體116的體積受到擴展，在第二開口114處形成吸入射流。當振動膜片120向第二開口114運動時，情況相反，從而通過電信號控制振動膜片120的振動，在隔板尾緣此時周期性射流，并可對其進行控制。從而達到射流與來流間歇作用的效果，實現后緣發展混合層的擺動。

所用電信號可以根據需要設定，例如可以為正弦波、三角波、方波等。為了實現更多的控制效果，周期信號的波形可以不對稱，如不對稱方波。

以下結合具體的實施例對本發明的技術方案進行詳細說明。

采用fluent商業軟件進行仿真，上下來流馬赫數分別為1.5和2.5，兩側壓力匹配為5930.31pa,總溫為300k；隔板的厚度為10mm，射流出口為1mm，出口中心距隔板后緣3mm；振動膜片的振動頻率為500hz，振幅為1mm。

仿真結果如圖7～9所示，由圖7可見，在整個超聲速來流周期中，隨著振動膜片的振動，后緣的混合層也在做周期性的擺動，說明通過使用本發明提供的裝置能使得隔板的上下來流得到更加有效的混合。從圖8的可見，a)中振動膜片處于靜止狀態，混合層厚度較小；b)圖中振動膜片處于振動狀態下，混合層厚度增大，說明振動膜片在振動情況下的混合層厚度要大于不振動情況下，也充分說明了振動膜片的振動有利于混合層的混合。為了進一步驗證我們的結論，圖9為振動膜片振動和靜止狀態周期平均標量厚度分布對比圖，這里以組分濃度的0.05至0.95為混合層的標量厚度，可以明顯的看出振動膜片振動使得混合層的增長速率增加了近1.5倍，有效地增強了混合效果，同時振動膜片的振動對于上側的混合作用更加有效。

本領域技術人員將清楚本發明的范圍不限制于以上討論的示例，有可能對其進行若干改變和修改，而不脫離所附權利要求書限定的本發明的范圍。盡管己經在附圖和說明書中詳細圖示和描述了本發明，但這樣的說明和描述僅是說明或示意性的，而非限制性的。本發明并不限于所公開的實施例。

通過對附圖，說明書和權利要求書的研究，在實施本發明時本領域技術人員可以理解和實現所公開的實施例的變形。在權利要求書中，術語“包括”不排除其他步驟或元素，而不定冠詞“一個”或“一種”不排除多個。在彼此不同的從屬權利要求中引用的某些措施的事實不意味著這些措施的組合不能被有利地使用。權利要求書中的任何參考標記不構成對本發明的范圍的限制。