一种高超声速静风洞喷管出口声波控制方法及风洞技术

本发明专利技术公开了一种高超声速静风洞喷管出口声波控制方法及风洞，该方法包括如下步骤：获取给定的出口声波；将出口声波反向传播至喷管的喉道，得到喷管喉道处的第一声场；在喷管上游布置扬声器阵列，启动扬声器阵列并在喷管喉道处形成第二声场；控制扬声器阵列中各扬声器发出声波的幅值、频率与相位，当第一声场与第二声场一致时，完成扬声器阵列的声波参数与出口声波的匹配。本发明专利技术应用于高超声速风洞技术领域，通过在喷管喉道处匹配声波的方式，实现喷管出口声波可控，进而可以在高超声速边界层转捩研究中基于可控的喷管出口声波评估声波对边界层转捩的影响。波对边界层转捩的影响。波对边界层转捩的影响。

【技术实现步骤摘要】
一种高超声速静风洞喷管出口声波控制方法及风洞


[0001]本专利技术涉及高超声速风洞
，具体是一种高超声速静风洞喷管出口声波控制方法及风洞。

技术介绍

[0002]在高超声速领域，边界层转捩一直是影响吸气式高超声速飞行器设计的关键因素。边界层从层流向湍流转捩后，流动参数改变较大，如湍流状态的摩擦阻力与热流变为层流状态的3～5倍，直接影响飞行器的气动力设计与气动热防护。但是，目前研究者对高超声速边界层转捩的认识极其有限，因为进行高超声速飞行器实验的常规风洞中存在较大噪声，会使边界层提前转捩。
[0003]风洞噪声可以分为声波、涡波和熵波三部分，其中声波在高马赫数情况下占据主导地位，因而研究声波对边界层转捩的影响具有重要意义。有学者通过在试验段上游的超声速区域放置一个声源，实验研究声波对边界层转捩的影响，但是超声速流中的声源自身会产生前缘激波，对流场有影响，而且声源需要放置在试验段平板的下方，容易堵塞流道。具体地：
[0004]现有技术中有在试验平板前缘安装声源的方案，该方案直接将声源安装在边界层转捩的试验平板上方，优势在于实施简便，只需在平板上开孔放置扬声器即可，但缺点是，扬声器发出的声波直接注入边界层底层，只能影响马赫波辐射区域的边界层，无法注入上游。另外，超声速流中扬声器数量受限，且容易产生安装激波，干扰流场；
[0005]现有技术中还有在试验平板上游设置额外平板安装声源的方案，该方案在试验平板的上游，设置额外的平板安装声源，且额外平板的位置在试验平板下方。该方案的优势是，合理布置的扬声器所发出的声波能够影响下游边界层，但是安装扬声器的平板自身会存在安装激波，且过大的扬声器会堵塞流场。

技术实现思路

[0006]针对上述现有技术中高超声速边界层转捩研究中声波扰动难以控制的问题，本专利技术提供一种高超声速静风洞喷管出口声波控制方法及风洞，通过在喷管喉道处匹配声波的方式，实现喷管出口声波可控，进而可以在高超声速边界层转捩研究中基于可控的喷管出口声波评估声波对边界层转捩的影响。
[0007]为实现上述目的，本专利技术提供一种高超声速静风洞喷管出口声波控制方法，包括如下步骤：
[0008]获取给定的出口声波；
[0009]将出口声波反向传播至喷管的喉道，得到喷管喉道处的第一声场；
[0010]在喷管上游布置扬声器阵列，启动扬声器阵列并在喷管喉道处形成第二声场；
[0011]控制扬声器阵列中各扬声器发出声波的幅值、频率与相位，当第一声场与第二声场一致时，完成扬声器阵列的声波参数与出口声波的匹配。
[0012]在其中一个实施例，所述将出口声波反向传播至喷管的喉道，得到喷管喉道处的第一声场，具体为：
[0013]以线化欧拉方程为控制方程，并将控制方程中时间变量t变为
‑
t，同时将出口声波作为边界条件，得到第一声场。
[0014]在其中一个实施例，所述出口声波为在空间上的幅值、频率和相位呈现出一维特征、二维特征或三维特征。
[0015]在其中一个实施例，所述在喷管上游布置扬声器阵列，具体为：
[0016]在喷管上游的稳定段上对应蜂窝网与稳定段出口之间的位置布置扬声器阵列。
[0017]为实现上述目的，本专利技术还提供一种风洞，所述风洞采用上述方法实现出口声波可控。
[0018]在其中一个实施例，包括依次相连的稳定段与喷管段，所述喷管段包括依次相连的收缩段、喉道与扩张段，所述稳定段上设置有扬声器阵列；
[0019]所述稳定段的出口与所述收缩段的入口相连，且所述稳定段的截面与所述收缩段的入口截面一致。
[0020]在其中一个实施例，所述稳定段的截面为矩形结构，以便于安装扬声器阵列。
[0021]本专利技术提供的，具有如下有益技术效果：
[0022]1、本专利技术将扬声器阵列放在风洞稳定段内，一方面风洞稳定段内流速较低，不会产生安装激波，对下游流场基本没有影响，可以安装较多的扬声器；另一方面风洞稳定段内的气流相对均匀，气动声学中的许多方法都可用于控制到达喷管入口的声波分布；
[0023]2、本专利技术考虑到风洞喷管为四周封闭通道，用线化欧拉方程将喷管出口声波分布反向传播至喷管的喉部，而非喷管入口，避免了喷管入口声波中的一部分会被收缩段反射的问题；3、本专利技术可以控制声波的幅值、频率和相位，有利于研究声波对边界层转捩的影响。
附图说明
[0024]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
[0025]图1为本专利技术实施例中控制方法的流程图；
[0026]图2为本专利技术实施例中风洞部件的结构示意图；
[0027]图3为本专利技术实施例中喷管出口的一维声波示意图；
[0028]图4为本专利技术实施例中喷管出口的二维声波示意图；
[0029]图5为本专利技术实施例中喷管出口声波反向传播的示意图；
[0030]图6为本专利技术实施例中扬声器阵列正向传播匹配喷管喉道声波的示意图；
[0031]图7为本专利技术实施例中静风洞喷管出口声波可控的示意图；
[0032]图8为本专利技术实施例中幅值较大的声波引起边界层提前转捩示意图；
[0033]图9为本专利技术实施例中幅值较小的声波引起边界层延迟转捩示意图。
[0034]附图标号：来流1、稳定段2、喷管段3，收缩段4、喉道5、扩张段6，扬声器阵列7、扬声
器发出声波8、第二方向9、喷管喉道声波10、第一方向11、出口声波12。
[0035]本专利技术目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
[0036]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，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，都属于本专利技术保护的范围。
[0037]需要说明，本专利技术实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后
……
)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
[0038]另外，在本专利技术中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本专利技术的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
[0039]在本专利技术中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高超声速静风洞喷管出口声波控制方法，其特征在于，包括如下步骤：获取给定的出口声波；将出口声波反向传播至喷管的喉道，得到喷管喉道处的第一声场；在喷管上游布置扬声器阵列，启动扬声器阵列并在喷管喉道处形成第二声场；控制扬声器阵列中各扬声器发出声波的幅值、频率与相位，当第一声场与第二声场一致时，完成扬声器阵列的声波参数与出口声波的匹配。2.根据权利要求1所述高超声速静风洞喷管出口声波控制方法，其特征在于，所述将出口声波反向传播至喷管的喉道，得到喷管喉道处的第一声场，具体为：以线化欧拉方程为控制方程，并将控制方程中时间变量t变为
‑
t，同时将出口声波作为边界条件，得到第一声场。3.根据权利要求1或2所述高超声速静风洞喷管出口声波控制方法，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：王李璨，赵玉新，赵一龙，杨瑞，
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：