一种超声速混合层控制方法技术

本发明专利技术涉及一种超声速混合层主动控制方法。通过利用射流对超声速混合层施加扰动，并利用射流诱导产生的激波对超声速混合层继续施加扰动，实现了对超声速混合层的主动控制。本发明专利技术优选的采用等离子体合成射流激励器产生射流，也可以采用现有的射流扰动器等装置产生射流。与现有技术相比，该方法能够解决传统超声速混合层控制方法工作频率低、能量密度低、需要额外气源且掺混效率不高的问题。

A supersonic mixing layer control method

The invention relates to a supersonic mixing layer active control method. The active control of the supersonic mixing layer is realized by using jet to disturb the supersonic mixing layer and using the shock wave induced by jet to continue to disturb the supersonic mixing layer. The invention preferably uses plasma synthetic jet actuator to produce jet, and can also use existing jet Perturbator and other devices to produce jet. Compared with the existing technology, this method can solve the problems of low operating frequency, low energy density, extra gas source and low mixing efficiency of the traditional supersonic mixing layer control method.

【技术实现步骤摘要】
一种超声速混合层控制方法
本专利技术属于超声速流动领域，特别涉及一种超声速混合层主动控制方法。
技术介绍
对超声速混合层的控制从广义上讲包括增强混合和抑制混合，本专利技术中提到的控制主要是指增强混合。目前对超声速混合层控制方法分为主动控制和被动控制两种。被动控制通过在尾缘(即隔板远离来流方向的一端)上增设突片、锯齿、波瓣等结构，从而产生流向涡或不稳定脉动进而达到对超声速混合层厚度的控制。被动控制方式结构简单、控制效果明显，但具有尾缘结构固定无法根据来流情况进行调整的缺点。主动控制则是通过向被控流场中主动注入气体，通过注入气体改变流场的能量和动量，进而改变流场的特征结构，达到控制掺混的作用。现有的超声速混合层主动控制装置主要有机械振动式激励器、等离子体式激励器和射流扰动器。机械振动式激励器的缺点在于工作频率低，等离子体式激励器是利用电弧放电来实现对气流的周期性的加热，其缺点在于能量密度偏低，射流扰动激励器缺点是需要额外的气源。更主要的对于超声速标量混合，以往的主动增强混合方式虽然显著提高超声速混合层空间增长率，但是混合均匀程度即掺混效率没有明显地提升。如何在有限距离内充分提高掺混效率，是现有超声速混合层主动控制方法的技术难题。
技术实现思路
针对传统超声速混合层控制方法工作频率低、能量密度低、需要额外气源且掺混效率不高的问题，本专利技术提出一种超声速混合层控制方法，具体方案如下：一种超声速混合层控制方法，包括以下步骤：S1，利用射流对超声速混合层施加扰动；超声速混合层，是指两股速度不等的平行超声速气流在自由空间相互混合，其初始混合面为平面，两股气流在相遇之前通过设置的隔板隔离，超声速混合层还包括超声速标量混合层，超声速标量混合层是指两个速度不等，组分不同的平行超声速气流在自由空间相互混合。超声速混合层厚度增长率远低于亚声速混合层增长率，施加扰动目的是混合层中引入各种激励，以激发混合层的不稳定性，从而使混合层空间增长率提高。所述射流设置在超声速混合层上游，即隔板靠近尾端的区域，通过射流对超声速来流施加横向以及展向的扰动，使超声速来流具有一定的横向和展向速度；所述展向方向为图1中垂直纸面的方向；所述横向方向为图1中竖直方向；所述流向方向为图1中水平方向；超声速混合层中游为混合层线性增长区，下游为混合层自相似区；优选的，射流或布置在隔板的上下表面，或布置在隔板的尾端；若布置在隔板上下表面，所述射流出口角度或垂直于超声速来流方向，或与超声速来流方向倾斜0～45度；所述倾斜角为在流向垂直的平面内，与横向方向的夹角；若布置在隔板尾端，所述射流出口角度或平行于超声速来流方向，或与超声速来流方向倾斜0～45度；所述倾斜角为在展向垂直的平面内，与流向的夹角；本专利技术通过射流实现对超声速来流施加横向以及展向的扰动，使超声速来流具有一定的横向和展向速度，从而有助于超声速混合层的失稳，可以较早的产生大尺度的展向涡结构；同时在展向方向单个或者成阵列形式布置的等离子体合成射流激励器还能诱发并产生大尺度的流向涡；上述诱导产生的展向涡结构以及流向涡结构都可以较好的增大超声速混合层的空间增长率，起到提高掺混效率的作用；进一步的，所述射流采用等离子体合成射流，更进一步的，采用等离子体合成射流激励器产生射流；所述等离子体合成射流激励器，其放电是在一个开有出口孔缝的小腔体内，所产生的等离子体并不与受控流场直接接触，而是通过加热腔内气体，使其增压膨胀并高速喷出，实现对流场的操控；等离子体合成射流激励器既可以产生速度高达数百米每秒的高能射流，又可以产生近似声速的压缩波，对受控流场兼具动量注入的涡控效果和压缩波扰动的波控效果，在超声速/高超声速流动控制中具有双重作用优势；等离子体合成射流激励器的构造和使用方式具体可参见专利ZL201510578087.5，ZL201510058090.4，ZL20140324990.4，以及论文《两电极等离子体合成射流激励器工作特性研究》，和《等离子体高能合成射流及其超声速流动控制机理研究》；优选的，等离子体合成射流激励器布置在两股超声速气流之间的隔板内，等离子体合成射流激励器的射流出口或布置在隔板的上下表面，如图2所示，或布置在隔板的尾端，如图3所示；所述等离子体合成射流激励器或为一个，或为一组等离子体合成射流激励器组成的阵列；所述等离子体合成射流激励器或为单个两电极，或为单个三电极等离子体合成射流激励器；所述两电极等离子体合成射流激励器，由直流电源、放电电容、激励器正极、激励器负极、激励器腔体和激励器出口组成；工作时直流电源为放电电容充电，达到击穿电压后在激励器腔体内气体的电离，使得激励器腔体内气体膨胀并高速喷出，随后由于射流喷出及激励器腔体冷却使得激励器腔体内温度和压力下降，外部气体重新充填激励器腔体，为下一个循环做准备；所述三电极等离子体合成射流激励器，由直流电源、高压脉冲电源、放电电容、激励器正极、激励器负极、激励器点火电极、激励器腔体和激励器出口组成；工作时直流电源为放电电容充电，高压脉冲电源在激励器腔体内火花放电产生等离子体，使得激励器正负极之间击穿电压降低，从而触发放电电容放电，使得激励器腔体内气体膨胀并高速喷出，随后由于射流喷出及激励器腔体冷却使得激励器腔体内温度和压力下降，外部气体重新充填激励器腔体，为下一个循环做准备；由此实现了基于等离子体合成射流的超声速混合层控制。同样的，本专利技术还可以采用现有的射流扰动器等其他装置产生射流，进行扰动；所述射流扰动器等装置产生的射流对超声速混合层的具体影响和所述等离子体合成射流激励器产生的射流作用相同；本专利技术通过利用射流在超声速混合层上游施加扰动，可以主动控制超声速混合层，诱导产生的大尺度展向涡结构和流向涡结构对超声速气流施加了横向和展向扰动，如图5所示，起到了可根据超声速来流条件而主动调节超声速混合层并且提高超声速混合层空间增长率的技术效果。为了进一步提高掺混效率，本专利技术还公开了另一种超声速混合层控制方法，包括以下步骤：S1，利用射流对超声速混合层施加扰动；S2，利用射流诱导产生激波，对超声速混合层进一步施加扰动；所述射流设置在超声速混合层流场内的中游或下游区域；所述中游区域为流向隔板后距离小于10倍隔板厚度的的区域，即超声速混合层的线性增长区；超声速混合层流场内下游区域为流向隔板后距离大于隔板厚度10倍距离的区域，即超声速混合层的自相似区域；优选的，所述射流设置在超声速混合层转捩的流向位置壁面上；优选的，沿流向布置多个等离子体合成射流激励器，来流工况变化时，混合层转捩位置也随之变化，此时根据混合层转捩位置来开启相应位置的等离子体合成射流激励器，诱导产生激波；所述射流，或采用等离子体合成射流；或采用现有的射流扰动器等装置产生；优选的，步骤S2选用和步骤S1相同的装置产生射流；所述步骤S1中产生的大尺度涡结构极大的提高了混合层厚度；通过步骤S2在超声速流场的中下游壁面布置等离子体合成射流激励器等装置产生射流，射流与超声速来流相互作用诱导产生斜激波并作用到混合层施加干扰，如图4所示；激波可以将混合层中大尺度涡结构继续破碎成小尺度涡结构，从而提高掺混效率；所述步骤S2中的等离子体合成射流激励器等装置仅在需要时开启，相对于传统的激波发生器，极大减少了超声速来流的总压损失本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种超声速混合层控制方法，其特征在于，包括以下步骤：S1，利用射流对超声速混合层施加扰动；所述射流设置在超声速混合层上游，即隔板靠近尾端的区域，通过射流对超声速来流施加横向以及展向的扰动，使超声速来流具有一定的横向和展向速度。

【技术特征摘要】
1.一种超声速混合层控制方法，其特征在于，包括以下步骤：S1，利用射流对超声速混合层施加扰动；所述射流设置在超声速混合层上游，即隔板靠近尾端的区域，通过射流对超声速来流施加横向以及展向的扰动，使超声速来流具有一定的横向和展向速度。2.根据权利要求1所述的一种超声速混合层控制方法，其特征在于：所述射流或布置在隔板的上下表面，或布置在隔板的尾端。3.根据权利要求2所述的一种超声速混合层控制方法，其特征在于：若所述射流布置在隔板上下表面，则射流出口角度或垂直于超声速来流方向，或与超声速来流方向倾斜0～45度；若所述射流布置在隔板尾端，则射流出口角度或平行于超声速来流方向，或与超声速来流方向倾斜0～45度。4.根据权利要求1～3所述的任意一种超声速混合层控制方法，其特征在于：所述射流采用等离子体合成射流。5.根据权利要求4所述的一种超声速混合层控制方法，其特征在于：所述射流采用等离子体合成射流激励器。6.根据权利要求5所述的一种超声速混合层控制方法，其特征在于：所述等离子体合成射流激励器布置在两股超声速气流之间的隔板内，等离子体合成射流激励器的射流出口或布置在隔板的上下表面，或布置在隔板的尾端。7.根据权利要求5所述的一种超声速混合层控制方法，其特征在于：所述等离子体合成射流激励器或为一个，或为一组等离子体合成射流激励器组成的阵列。8.根据权利要求5所述的一种超声速混合层控制方法，其特征在于：所述等离子体合成射流激励器或为单个两电极，或为单个三电极等离子体合成射流激励器。9.根据权利要求5所述的一种超声速混合层控制方法，其特征在于：所述两电极等离子体...

【专利技术属性】
技术研发人员：王鹏，沈赤兵，罗振兵，周岩，方昕昕，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43