本發(fā)明屬于航空航天飛行器高超進(jìn)排氣系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種超聲速流場中的附面層快速發(fā)展裝置及方法。

背景技術(shù)：

流體都存在一定大小的粘性，這是附面層存在的根本原因。利用流體與壁面的粘性相互作用，使靠近壁面流體減速是最常規(guī)的附面層模擬方法之一。該方法能很好的模擬附面層，且對主流影響較小，但由于其僅依賴粘性作用，附面層發(fā)展速度較為緩慢，效率較低。文獻(xiàn)Robert M.Lation,Rodney D W.Bowersox.Flow Properties of a Supersonic Turbulent Boundary Layer with Wall Roughness.AIAA Journal,Vol.38,No.10,October 2000:1804-1821.對有粗糙度平板的附面層進(jìn)行了詳盡研究，流體經(jīng)過帶粗糙度的平板的附面層發(fā)展速度略高于光滑平板。而在某種特殊情況需要限制模型尺寸時(shí)，以上較為常見的附面層發(fā)展方式局限性在對高超聲速附面層模擬時(shí)更為明顯。為此，迫切需要一種新的附面層模擬方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種超聲速流場中的附面層快速發(fā)展裝置，利用埋于附面層內(nèi)多級(jí)斜楔產(chǎn)生的連續(xù)激波逐步降低壁面附近氣流速度和總壓，從而快速發(fā)展附面層的方法。能較為準(zhǔn)確的模擬附面層厚度和截面馬赫數(shù)分布趨勢，且尺寸較小，附面層模擬效率較高，具有較好的研究價(jià)值和實(shí)用潛力。

技術(shù)方案：為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

一種超聲速流場中的附面層快速發(fā)展裝置，噴管與附面層依次串聯(lián)，所述附面層上壁面和兩側(cè)壁面為平面且與對應(yīng)的噴管壁面在同一平面上；串聯(lián)的若干級(jí)斜楔均勻設(shè)置，形成多級(jí)斜楔組埋于所述附面層內(nèi)下壁面，所述斜楔組的最高點(diǎn)連線與氣流方向呈一角度為增長角IA；氣流來流方向與所述多級(jí)斜楔組的楔前水平壁面法線方向垂直。

進(jìn)一步的，所述多級(jí)斜楔組的設(shè)計(jì)參數(shù)包括：

(1)布置方式，即多級(jí)斜楔組是埋入壁面還是突出壁面，以突出壁面高度h與來流附面層厚度δ_2-0的比值來衡量，h/δ_2-0>0時(shí)斜楔突出壁面，h/δ_2-0>0時(shí)斜楔埋入壁面；

(2)增長角IA為0°～2°；

(3)斜楔個(gè)數(shù)。斜楔數(shù)目增加，單位長度附面層厚度先急劇增大而后增加緩慢，出口流場畸變隨數(shù)目增加成線性增長，根據(jù)這兩個(gè)因素選取合適的斜楔個(gè)數(shù)。

進(jìn)一步的，所述斜楔的設(shè)計(jì)參數(shù)包括斜楔角度α，斜楔無量綱高度H_n，H_n為斜楔幾何高度與來流附面層動(dòng)量損失厚度的比值。

一種超聲速流場中的附面層快速發(fā)展裝置的方法，利用氣流流經(jīng)埋于附面層內(nèi)的多級(jí)斜楔組，產(chǎn)生連續(xù)的激波和膨脹波，在所述激波和膨脹波的聯(lián)合作用下，所述激波使近壁面氣流減速，能量損失，附面層發(fā)展。

進(jìn)一步的，包括如下步驟：

1)在附面層發(fā)展至斜楔近壁處，氣流流經(jīng)斜楔頂部時(shí)在斜楔頂點(diǎn)產(chǎn)生膨脹波扇，氣流經(jīng)過所述膨脹波扇速度增加，總壓不變；

2)經(jīng)過膨脹波扇后的氣流方向與斜楔楔面不平行，斜楔楔面對氣流存在壓縮角，產(chǎn)生一斜激波；

3)氣流穿過斜激波后，氣流方向與楔面平行，速度減小，總壓減小，并在楔面粘性作用下進(jìn)一步降低近壁面處氣流馬赫數(shù)，附面層增厚；

至此，單個(gè)斜楔完成了對附面層發(fā)展周期；

4)氣流流經(jīng)斜楔頂部時(shí)，下一個(gè)附面層發(fā)展周期開始。

進(jìn)一步的，近壁處的氣流在激波的作用下，總壓減小，能量損失增大，促進(jìn)附面層發(fā)展，同時(shí)斜楔末端產(chǎn)生的膨脹波削弱了激波對氣流的影響，抑制了氣流參數(shù)的變化。

進(jìn)一步的，流場數(shù)值計(jì)算采用Fluent商用軟件進(jìn)行。對比附面層模擬段出口與目標(biāo)流場參數(shù)是否趨于一致。

有益效果：本發(fā)明提供的超聲速流場中的附面層快速發(fā)展裝置及方法，較為準(zhǔn)確的模擬附面層厚度和出口截面馬赫數(shù)分布趨勢，尺寸較小，附面層模擬效率較高。通過附面層發(fā)展斜楔后的馬赫數(shù)分布在主流基本一致，附面層厚度也相當(dāng)。

附圖說明

圖1為附面層發(fā)展斜楔示意圖；

圖2為計(jì)算域結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3附面層模擬示意圖

圖4不同附面層模擬板下、馬赫數(shù)分布相似位置時(shí)模擬板長度。

圖中：1-噴管附面層模擬，2-遠(yuǎn)場邊界，3-斜楔附面層模擬，4-附面層模擬段出口，5-壓力出口，6-壓力進(jìn)口，7-噴管，8-噴管出口，9-附面層模擬裝置，10-匹配點(diǎn)。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作更進(jìn)一步的說明。

本發(fā)明為一種超聲速流場中的附面層快速發(fā)展裝置及方法，利用氣流流經(jīng)埋于附面層內(nèi)多級(jí)斜楔產(chǎn)生的連續(xù)激波逐步降低壁面附近氣流速度和總壓，從而快速發(fā)展附面層的方法。氣流流經(jīng)多級(jí)斜楔，產(chǎn)生了連續(xù)的激波膨脹波，在激波和膨脹波的聯(lián)合作用下，附面層快速發(fā)展。針對目標(biāo)流場進(jìn)行附面層模擬的數(shù)值仿真研究，比較附面層模擬段出口參數(shù)與目標(biāo)流場參數(shù)是否趨于一致。該方法能夠較為準(zhǔn)確的模擬附面層厚度和目標(biāo)馬赫數(shù)分布趨勢，比起常見的附面層發(fā)展方式具有尺寸較小，附面層模擬效率也較高的優(yōu)點(diǎn)。具有較好的實(shí)用潛力。

本發(fā)明的利用氣流流經(jīng)埋于附面層內(nèi)多級(jí)斜楔快速發(fā)展附面層的方法，具體包括如下步驟：

斜楔產(chǎn)生的激波使近壁面氣流減速，能量損失，附面層快速發(fā)展，這是多級(jí)斜楔快速發(fā)展附面層的基本原理。附面層模擬段上壁面和兩側(cè)壁面為平面且與對應(yīng)噴管壁面在同一平面上。串聯(lián)斜楔組埋于附面層內(nèi)，同時(shí)將多個(gè)斜楔最高點(diǎn)的連線與氣流方向呈一角度布置，該角度用增長角IA表示即氣流流經(jīng)斜楔時(shí)附面層快速發(fā)展，為了抵消附面層逐漸增加導(dǎo)致單個(gè)斜楔的氣動(dòng)壓縮角相應(yīng)減小引起的斜楔組效率降低的影響，將多個(gè)斜楔最高點(diǎn)排列連線與氣流方向呈一角度，將該角度稱之為增長角IA，可取0°-2°。

氣流來流方向與楔前水平壁面法線方向垂直。在附面層發(fā)展斜楔近壁處，氣流流經(jīng)斜楔頂部時(shí)在斜楔頂點(diǎn)處產(chǎn)生膨脹波扇，氣流經(jīng)過膨脹波扇速度略有增加，總壓不變；經(jīng)過膨脹波扇后的氣流與斜楔楔面不平行，斜楔楔面對氣流存在壓縮角，壓縮角大小由實(shí)際情況下氣流速度，氣流偏轉(zhuǎn)角度等因素而定，并產(chǎn)生一斜激波；穿過斜激波后，氣流方向與楔面平行，速度減小，總壓減小，并在楔面粘性作用下進(jìn)一步降低近壁面處氣流馬赫數(shù)，附面層增厚；至此，單個(gè)斜楔完成了對附面層發(fā)展周期。

氣流流經(jīng)斜楔頂部時(shí)，下一個(gè)附面層發(fā)展周期開始。近壁處的氣流在激波的作用下，總壓減小，能量損失增大，加快附面層發(fā)展，同時(shí)斜楔末端產(chǎn)生的膨脹波削弱了激波對主流的影響，抑制了主流參數(shù)的變化。流場數(shù)值計(jì)算采用Fluent商用軟件進(jìn)行。對比附面層模擬段出口與目標(biāo)流場參數(shù)是否趨于一致。

實(shí)施例

如圖1計(jì)算模型示意圖，圖2計(jì)算域結(jié)構(gòu)示意圖，圖3附面層模擬示意圖。在圖2計(jì)算域結(jié)構(gòu)示意圖中，斜楔附面層模擬3前有一光滑平板用于模擬噴管出口8附面層和改變來流非均勻性。其作用相當(dāng)于圖3中的部件噴管7，用于模擬噴管出口附面層和改變來流非均勻性。此光滑平板是指圖2計(jì)算域結(jié)構(gòu)示意圖中部件噴管附面層模擬1，作用相當(dāng)于圖3附面層模擬示意圖中的部件噴管7，是為了使數(shù)值模擬更接近真實(shí)情況才用到的，實(shí)際裝置中不需要此光滑平板。遠(yuǎn)場邊界2是數(shù)值模擬計(jì)算中給定的邊界條件，壓力出口5是數(shù)值模擬計(jì)算中的壓力出口邊界，壓力進(jìn)口6是噴管前的進(jìn)口邊界，7是噴管使氣流速度達(dá)到需要的值。多級(jí)斜楔板共7級(jí)，斜楔高度H_n＝5.00(無量綱高度)，α＝7°，h/δ_2-0＝0，IA＝0°。同時(shí)采用另外兩種即砂紙板和光滑平板發(fā)展附面層方法來作為對比，其中砂紙板平均粗糙度為0.6mm。與噴管出口8相連接的為附面層模擬段。噴管出口8氣流附面層在附面層模擬段內(nèi)進(jìn)一步發(fā)展，直到某一位置馬赫數(shù)分布與給定的目標(biāo)分布相似。結(jié)果得到光滑平板下發(fā)展的附面層與目標(biāo)基本一致，馬赫數(shù)分布曲線基本重合；砂紙板的發(fā)展的附面層厚度與目標(biāo)相當(dāng)，在附面層內(nèi)馬赫數(shù)分布與目標(biāo)略有差異，速度梯度偏大；通過附面層發(fā)展斜楔后的馬赫數(shù)分布在主流基本一致，附面層厚度也相當(dāng)，速度梯度小于砂紙板。

本實(shí)施例提供的超聲速流場中的附面層快速發(fā)展裝置，較為準(zhǔn)確的模擬附面層厚度和附面層模擬段出口4截面馬赫數(shù)分布趨勢，尺寸較小，附面層模擬效率較高。如圖3為附面層模擬裝置9示意圖，噴管出口連接的是附面層發(fā)展段，匹配點(diǎn)10與進(jìn)氣道唇口主流參數(shù)相當(dāng)，在砂紙板平均粗糙度為0.6mm，多級(jí)斜楔板共7級(jí)，斜楔高度H_n＝5.00，α＝7°，h/δ_2-0＝0，IA＝0°，與噴管出口8相連接的為附面層模擬段條件下，通過實(shí)驗(yàn)給出了如圖4所示的不同模擬板下發(fā)展相當(dāng)厚度的附面層所需要的模擬板長度對比，以實(shí)際進(jìn)氣道唇口截面為參考，發(fā)展相同厚度的附面層，需要斜楔板最短，所需光滑平板和砂紙板長度分別為斜楔板的2.66和2.45倍，由進(jìn)氣道的對比參考值可以發(fā)現(xiàn)幾種附面層發(fā)展裝置哪一種更接近目標(biāo)流場，在同樣可以反映真實(shí)流暢的情況下可以選取最優(yōu)方法，即本發(fā)明中的多級(jí)斜楔快速發(fā)展附面層裝置。砂紙板和光滑平板所需尺寸過大，而斜楔板不僅尺寸較小而且能較為準(zhǔn)確的模擬附面層厚度和截面馬赫數(shù)分布趨勢。通過附面層發(fā)展斜楔后的馬赫數(shù)分布在主流基本一致，附面層厚度也相當(dāng)。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出：對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。