本發(fā)明涉及一種延遲高超聲速邊界層材料轉捩的研究系統(tǒng)及實驗研究方法，為該材料的設計提供全面的實驗支持和科學依據。

背景技術：

在高超聲速飛行過程中，邊界層轉捩大幅增加邊界層的熱傳導系數和摩擦阻力。如果能夠延遲邊界層的轉捩，高超聲速飛行器熱防護系統(tǒng)的重量和復雜度便可以顯著降低。在二維或準二維高超聲速邊界層中，第二模態(tài)成為主要的不穩(wěn)定模態(tài)，即Mack模態(tài)。第二模態(tài)波是由比速度脈動大的多的壓力和溫度的強脈動引起的，為受困在邊界層中的超聲波。目前，對高超聲速邊界層轉捩進行控制的主要途徑包括：熱傳導、頭部鈍化、吸氣以及等離子體等。通過壁面熱傳導方式控制高超聲速邊界層轉捩，需要準確地優(yōu)化局部加熱帶和冷卻帶的位置。同時，還需考慮由于壁面溫度分布不均勻所引起的聲波感受性問題。在實際應用中，邊界層熱傳導方案的設計常常具有很大的挑戰(zhàn)性。另外，雖然頭部鈍化能夠延遲邊界層轉捩，但是頭部鈍化控制邊界層轉捩的效率較低。頭部鈍化還必須根據不同飛行狀態(tài)嚴格優(yōu)化鈍化程度。否則，一旦鈍化程度超過臨界值，頭部鈍化反而會加速邊界層轉捩。除此而外，吸氣可以延遲由第二模態(tài)波主導的邊界層轉捩，但是在高溫環(huán)境中應用的可行性問題缺乏考證。對于等離子體控制技術，引入的磁場系統(tǒng)也會增添結構的復雜程度和重量。因此，等離子體控制高超聲速邊界層轉捩的方法在實際工程應用中仍然發(fā)展緩慢。

超聲波吸收層是一種由等距分布的微腔構成的薄層，如槽道或者圓孔。由于腔體特征尺寸減小，流動受到的剪切作用強度以及流動與壁面的摩擦阻力大幅增加。因此，粘性耗散效應明顯增強。超聲波的機械能大量轉化成熱能，并且與腔體壁面發(fā)生熱交換，第二模態(tài)波不穩(wěn)定性受到抑制，從而延遲邊界層轉捩。2001年，莫斯科物理技術研究院的Fedorov等人分析了高超聲速多孔平板邊界層的第二模態(tài)波不穩(wěn)定性。研究證實了使用合適的超聲波吸收層可以延遲邊界層轉捩。通過超聲波吸收層控制高超聲速邊界層，不需要額外的復雜機構和能量消耗。在高超聲速嚴酷的高溫飛行環(huán)境中，該被動式控制方法更具魯棒性和實際應用價值。2013年，加州理工學院的Brès通過數值研究預測，超聲波吸收層幾何外形(開孔率和寬高比)對其吸波特性有著重要的影響。截止到目前為止，超聲波吸收層幾 何外形對其吸波特性影響的實驗研究尚處于空白。超聲波吸收層對于第二模態(tài)波的影響除了主要的粘性耗散效應和熱傳導，還有疊加和散射等。值得注意的是，第二模態(tài)波在超聲波吸收層頂部的散射產生了新的聲學共振模態(tài)。新的聲學共振模態(tài)可能會激發(fā)新的不穩(wěn)定性，加速邊界層轉捩。目前，聲學共振模態(tài)的存在尚沒有被實驗驗證。

技術實現要素：

本發(fā)明的一個目的是解決至少上述問題，并提供至少后面將說明的優(yōu)點。

本發(fā)明還有一個目的是提供一種延遲高超聲速邊界層材料轉捩的研究系統(tǒng)；

本發(fā)明還有一個目的是提供一種延遲高超聲速邊界層材料轉捩的實驗研究方法，其能夠有效應用延遲高超聲速邊界層材料轉捩的研究系統(tǒng)以研究超聲波吸收層幾何外形對其吸波特性的影響，選擇出合適的延遲高超聲速邊界層材料轉捩的超聲波吸收層幾何外形；

本發(fā)明還有一個目的是提供一種高超聲速邊界層材料中聲學共振模態(tài)的捕捉方法，配合延遲高超聲速邊界層材料轉捩的研究系統(tǒng)和實驗研究方法，同時驗證聲學共振模態(tài)的存在，為超聲波吸收層設計提供全面的實驗支持和科學依據。

為了實現根據本發(fā)明的這些目的和其它優(yōu)點，提供了一種延遲高超聲速邊界層材料轉捩的研究系統(tǒng)，其特征在于，包括：

超聲波吸收層模型，其為一板體，板體的上端面上開設有多個相互均勻間隔開平行設置的矩形開口槽；

超聲波發(fā)生器，其設置在所述超聲波吸收層模型的一側，使得所述超聲波發(fā)生器發(fā)出的超聲波經超聲波吸收層反射后產生回波；以及

壓力傳感器，其設置在所述超聲波吸收層模型的另一側，用于接收回波；

優(yōu)選的是，其中，所述超聲波吸收層的規(guī)格為：80-100mm×80-100mm×10-20mm。

優(yōu)選的是，其中，所述超聲波發(fā)生器發(fā)出的超聲波入射至超聲波吸收層的入射角度為0-30°。

優(yōu)選的是，其中，所述超聲波吸收層模型包括基準超聲波吸收層模型、超聲波吸收層模型P1、超聲波吸收層模型P2、超聲波吸收層模型A1和超聲波吸收層模型A2，其中，超聲波吸收層模型上的多個矩形開口槽的規(guī)格參數為：半寬0.15mm，開孔率0.2-0.8，寬高比0.06-0.24。

優(yōu)選的是，其中，所述基準超聲波吸收層模型上的多個矩形開口槽的規(guī)格參數為：半 寬0.15mm，開孔率0.5，寬高比0.12；P1上的多個矩形開口槽的規(guī)格參數為：半寬0.15mm，開孔率0.2，寬高比0.12；P2上的多個矩形開口槽的規(guī)格參數為：半寬0.15mm，開孔率0.8，寬高比0.12；A1上的多個矩形開口槽的規(guī)格參數為：半寬0.15mm，開孔率0.5，寬高比0.06；A2上的多個矩形開口槽的規(guī)格參數為：半寬0.15mm，開孔率0.5，寬高比0.24。

一種延遲高超聲速邊界層材料轉捩的實驗研究方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟一、應用延遲高超聲速邊界層材料轉捩的研究系統(tǒng)并結合一平板進行超聲波入射檢測獲得平板超聲波回波幅值A_FP，其中，所述平板的規(guī)格為80-100mm×80-100mm×10-20mm；

步驟二、應用延遲高超聲速邊界層材料轉捩的研究系統(tǒng)并分別結合基準超聲波吸收層模型、超聲波吸收層模型P1和超聲波吸收層模型P2進行檢測獲得基準超聲波回波幅值A_UAC、A_UACP1和A_UACP2，應用下列公式M分別計算獲得反射系數為R_UAC、R_UACP1和R_UACP2：

$R_{UAC}=\frac{A_{UAC}}{A_{FP}}$

其中，當靜態(tài)實驗模擬同一飛行高度時，且超聲波發(fā)生器發(fā)出的超聲波功率相等時，比較反射系數R_UAC、R_UACP1和R_UACP2的大小，越小的反射系數對應的所述開孔率的超聲波吸收層模型越能延遲高超聲速邊界層轉捩。

步驟三、應用延遲高超聲速邊界層材料轉捩的研究系統(tǒng)并分別結合基準超聲波吸收層模型、超聲波吸收層模型A1和超聲波吸收層模型A2進行檢測獲得基準超聲波回波幅值R_UAC、A_UACA1和A_UACA2，應用下列公式M分別計算獲得反射系數為R_UAC、R_UACA1和R_UACA2：

$R_{UAC}=\frac{A_{UAC}}{A_{FP}}$

其中，當靜態(tài)實驗模擬同一飛行高度時，且超聲波發(fā)生器發(fā)出的超聲波功率相等時，比較反射系數R_UAC、R_UACA1和R_UACA2的大小，越小的反射系數對應的所述寬高比的超聲波吸收層模型越能延遲高超聲速邊界層轉捩。

一種高超聲速邊界層材料中聲學共振模態(tài)的捕捉方法，其特征在于，還包括以下步驟：

步驟一、應用延遲高超聲速邊界層材料轉捩的研究系統(tǒng)并使用基準超聲波吸收層模型，檢測回波壓力信號，將回波壓力信號進行傅立葉變換，獲得對應的功率譜密度特征；

步驟二、聲學共振模態(tài)波長λ_res由多個矩形開口槽中相鄰兩個矩形開口槽的槽道間距決定，λ_res＝s；因此，聲學共振模態(tài)頻率f_res由下式獲得：

$f_{res}=\frac{a}{{\mathrm{\λ}}_{res}}$

其中a為聲速；

當步驟一中延遲高超聲速邊界層材料轉捩的研究系統(tǒng)模擬某一飛行高度，且超聲波的聲速為a，步驟一中功率譜密度特征在f_res附近出現峰值，則超聲波吸收層模型中聲學共振模態(tài)存在，且被捕捉。

本發(fā)明至少包括以下有益效果：

本發(fā)明提供的延遲高超聲速邊界層材料轉捩的研究系統(tǒng)中，超聲波發(fā)生器產生的超聲波用于模擬第二模態(tài)波，入射至超聲波吸收層模型上，通過壓力傳感器檢測回波，分析超聲波反射系數，用于為研究超聲波吸收層幾何外形對其靜態(tài)吸波特性的影響提供設備研究基礎；以及通過壓力傳感器檢測回波，分析超聲波回波壓力信號的功率譜密特征，為驗證聲學共振模態(tài)的存在提供設備研究基礎；

本發(fā)明提供的延遲高超聲速邊界層材料轉捩的實驗研究方法，其能夠有效應用延遲高超聲速邊界層材料轉捩的研究系統(tǒng)以研究超聲波吸收層幾何外形對其吸波特性的影響，選擇出合適的延遲高超聲速邊界層材料轉捩的超聲波吸收層幾何外形；

本發(fā)明提供的高超聲速邊界層材料中聲學共振模態(tài)的捕捉方法，配合延遲高超聲速邊界層材料轉捩的研究系統(tǒng)和實驗研究方法，同時驗證聲學共振模態(tài)的存在，為超聲波吸收層設計提供全面的實驗支持和科學依據。

本發(fā)明的其它優(yōu)點、目標和特征將部分通過下面的說明體現，部分還將通過對本發(fā)明的研究和實踐而為本領域的技術人員所理解。

附圖說明

圖1為本發(fā)明所述的延遲高超聲速邊界層材料轉捩的研究系統(tǒng)的側面結構示意圖；

圖2為本發(fā)明所述的延遲高超聲速邊界層材料轉捩的實驗研究方法中反射系數隨超聲波吸收層(UAC)開孔率的變化，其中，○為h＝0km，□為h＝10km，*為h＝30km，且開孔率為0.2；

圖3為本發(fā)明所述的延遲高超聲速邊界層材料轉捩的實驗研究方法中反射系數隨UAC開孔率的變化，其中，○為h＝0km，□為h＝10km，*為h＝30km，且開孔率為0.5；

圖4為本發(fā)明所述的延遲高超聲速邊界層材料轉捩的實驗研究方法中反射系數隨UAC開孔率的變化，其中，○為h＝0km，□為h＝10km，*為h＝30km，且開孔率為0.8；

圖5為本發(fā)明所述的延遲高超聲速邊界層材料轉捩的實驗研究方法中反射系數隨UAC寬高比的變化，其中，○為h＝0km，□為h＝10km，*為h＝30km，且寬高比為0.06；

圖6為本發(fā)明所述的延遲高超聲速邊界層材料轉捩的實驗研究方法中反射系數隨UAC寬高比的變化，其中，○為h＝0km，□為h＝10km，*為h＝30km，且寬高比為0.12；

圖7為本發(fā)明所述的延遲高超聲速邊界層材料轉捩的實驗研究方法中反射系數隨UAC寬高比的變化，其中，○為h＝0km，□為h＝10km，*為h＝30km，且寬高比為0.24。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明做進一步的詳細說明，以令本領域技術人員參照說明書文字能夠據以實施。

應當理解，本文所使用的諸如“具有”、“包含”以及“包括”術語并不配出一個或多個其它元件或其組合的存在或添加。

實施例1

如圖1所示，本發(fā)明提供了一種延遲高超聲速邊界層材料轉捩的研究系統(tǒng)，其特征在于，包括：

超聲波吸收層模型1，其為一板體，板體的上端面上開設有多個相互均勻間隔開平行設置的矩形開口槽2；超聲波發(fā)生器3，其設置在所述超聲波吸收層模型的一側，使得所述超聲波發(fā)生器發(fā)出的超聲波經超聲波吸收層反射后產生回波；以及壓力傳感器4，其設置在所述超聲波吸收層模型的另一側，用于接收回波。

在上述方案中，超聲波發(fā)生器發(fā)射的超聲波用于模擬第二模態(tài)波，入射至超聲波吸收層模型上，通過壓力傳感器檢測回波，分析超聲波反射系數，用于為研究超聲波吸收層幾何外形對其靜態(tài)吸波特性的影響提供設備研究基礎；以及通過壓力傳感器檢測超聲波吸收層模型的回波壓力信號，分析超聲波回波壓力信號的功率譜密特征，為驗證聲學共振模態(tài)的存在提供設備研究基礎。

一個優(yōu)選方案中，所述超聲波吸收層模型的規(guī)格為：80-100mm×80-100mm×10-20mm。

一個優(yōu)選方案中，所述超聲波發(fā)生器發(fā)出的超聲波入射至超聲波吸收層的入射角度為0-30°。

一個優(yōu)選方案中，所述超聲波吸收層模型包括基準超聲波吸收層模型、超聲波吸收層模型P1、超聲波吸收層模型P2、超聲波吸收層模型A1和超聲波吸收層模型A2，其中，超聲波吸收層模型上的多個矩形開口槽的規(guī)格參數為：半寬0.15mm，開孔率0.2-0.8，寬高比0.06-0.24。

一個優(yōu)選方案中，所述基準超聲波吸收層模型上的多個矩形開口槽的規(guī)格參數為：半寬0.15mm，開孔率0.5，寬高比0.12；P1上的多個矩形開口槽的規(guī)格參數為：半寬0.15mm，開孔率0.2，寬高比0.12；P2上的多個矩形開口槽的規(guī)格參數為：半寬0.15mm，開孔率0.8，寬高比0.12；A1上的多個矩形開口槽的規(guī)格參數為：半寬0.15mm，開孔率0.5，寬高比0.06；A2上的多個矩形開口槽的規(guī)格參數為：半寬0.15mm，開孔率0.5，寬高比0.24。

其中，半寬為矩形開口槽一半的開口寬度，寬高比為矩形開口槽的開口寬度與矩形開口槽的高度的比例。

實施例2

一種延遲高超聲速邊界層材料轉捩的實驗研究方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟一、應用延遲高超聲速邊界層材料轉捩的研究系統(tǒng)并結合一平板進行超聲波入射檢測獲得平板超聲波回波幅值A_FP，其中，所述平板的規(guī)格為80-100mm×80-100mm×10-20mm；

步驟二、應用延遲高超聲速邊界層材料轉捩的研究系統(tǒng)并分別結合基準超聲波吸收層模型、超聲波吸收層模型P1和超聲波吸收層模型P2進行檢測獲得基準超聲波回波幅值R_UAC、A_UACP1和A_UACP2，應用下列公式M分別計算獲得反射系數為R_UAC、R_UACP1和R_UACP2：

$R_{UAC}=\frac{A_{UAC}}{A_{FP}}$

其中，當靜態(tài)實驗模擬同一飛行高度時，且超聲波發(fā)生器發(fā)出的超聲波功率相等時，比較反射系數R_UAC、R_UACP1和R_UACP2的大小，越小的反射系數對應的所述開孔率的超聲波 吸收層模型越能延遲高超聲速邊界層轉捩；

步驟三、應用延遲高超聲速邊界層材料轉捩的研究系統(tǒng)并分別結合基準超聲波吸收層模型、超聲波吸收層模型A1和超聲波吸收層模型A2進行檢測獲得基準超聲波回波幅值A_UAC、A_UACA1和A_UACA2，應用下列公式M分別計算獲得反射系數為R_UAC、R_UACA1和R_UACA2：

$R_{UAC}=\frac{A_{UAC}}{A_{FP}}$

其中，當靜態(tài)實驗模擬同一飛行高度時，且超聲波發(fā)生器發(fā)出的超聲波功率相等時，比較反射系數R_UAC、R_UACA1和R_UACA2的大小，越小的反射系數對應的所述寬高比的超聲波吸收層模型越能延遲高超聲速邊界層轉捩。

如圖3、圖4、圖5、圖6、圖7所示，分別為不同飛行高度下UAC超聲波反射系數隨開孔率和寬高比的變化情況。其中，為超聲波無量綱頻率，由決定，f為超聲波頻率，H為UAC槽道深度，a為聲速。

如圖3、圖4、圖5、圖6、圖7所示，隨著開孔率增大和寬高比的減小，反射系數的振蕩減弱。這說明，對于更大開孔率和更小寬高比的UAC材料，超聲波在槽道底部的反射減弱，與槽道頂部反射的疊加效果降低。整體上看，具有更大開孔率和更小寬高比的UAC材料吸收邊界層內第二模態(tài)波的能力強，更利于延遲高超聲速邊界層轉捩。但是，更大開孔率和更小寬高比的UAC材料不易加工。另外，大開孔率的UAC材料所產生的聲學共振模態(tài)可能比第二模態(tài)波更不穩(wěn)定，反而加速邊界層轉捩。

實施例3

一種高超聲速邊界層材料中聲學共振模態(tài)的捕捉方法，其特征在于，還包括以下步驟：

步驟一、應用延遲高超聲速邊界層材料轉捩的研究系統(tǒng)并使用基準超聲波吸收層模型，檢測回波壓力信號，將回波壓力信號進行傅立葉變換，獲得對應的功率譜密度特征；

步驟二、聲學共振模態(tài)波長λ_res由多個矩形開口槽中相鄰兩個矩形開口槽的槽道間距決定，λ_res＝s；因此，聲學共振模態(tài)頻率f_res由下式獲得：

$f_{res}=\frac{a}{{\mathrm{\λ}}_{res}}$

其中a為聲速；

當步驟一中延遲高超聲速邊界層材料轉捩的研究系統(tǒng)模擬某一飛行高度，且超聲波的聲速為a，步驟一中功率譜密度特征在f_res附近出現峰值，也即是f_res與步驟一中功率譜密度特征峰值有重疊，則超聲波吸收層模型中聲學共振模態(tài)存在，且被捕捉。

比如：當超聲波發(fā)生器發(fā)出的超聲波的聲速a＝340m/s，槽道間距s＝0.6mm時，應用步驟二的方法計算獲得聲學共振模態(tài)頻率f_res為566.7kHz，而通過壓力傳感器檢測獲得的回波壓力信號功率譜密度特征在566.7kHz出現峰值，驗證了聲學共振模態(tài)的存在并成功捕捉，為超聲波吸收層設計提供全面的實驗支持和科學依據。

盡管本發(fā)明的實施方案已公開如上，但其并不僅僅限于說明書和實施方式中所列運用，它完全可以被適用于各種適合本發(fā)明的領域，對于熟悉本領域的人員而言，可容易地實現另外的修改，因此在不背離權利要求及等同范圍所限定的一般概念下，本發(fā)明并不限于特定的細節(jié)和這里示出與描述的圖例。