一种抑制短舱进气道小台阶流动分离装置及设计方法与流程

本发明属于流动控制，具体涉及一种抑制短舱进气道小台阶流动分离装置及设计方法。

背景技术：

1、高涵道比、高效率的先进动力装置是大型飞机的心脏。作为动力装置重要组成部分的短舱进气道，对于整个动力装置的性能起到重要作用。飞机短舱进气道在实际的装配过程中，由于工艺水平客观限制，进气道唇口蒙皮和内壁板蒙皮的制造公差及装配精度没达到设计要求，使得安装时蒙皮和蒙皮间产生小尺寸的安装台阶。为了确保进气道内管道气动性能，结构设计要求蒙皮表面光滑，蒙皮对接处的错位不超过±0.5 mm。然而，蒙皮间安装台阶最大高度可能达到2~3 mm，在亚声速、超声速飞行工况下对短舱进气道性能有着重要影响。

2、在超声速发动机进气道中，台阶的存在导致激波与边界层相互作用，这是造成进气道阻力增加和压力损失的主要原因。超声速条件下，来流在台阶的突扩作用下产生非线性普朗特膨胀波系，在下游壁面形成回流区和再附区，回流区和主流之间有自由剪切层，自由剪切层冲击下壁面形成再附，而后边界层重新发展，受壁面压缩作用边界层诱导会产生一道再附激波。激波带来强烈的逆压梯度，导致流动分离，导致气动性能下降，如气动阻力增加，非定常压力载荷，甚至出现进气道不启动情况。

3、在研究飞机进气道蒙皮形成的台阶等表面缺陷在性能方面的影响已经得到证实，最早研究可以追溯到1973年英国ara的专项研究中。2014年，pascal molton等人将具有代表性的飞机表面缺陷，简化为12种不同类型的台阶并进行实验研究，研究结果表明台阶等飞机表面缺陷对飞机流动分离、摩擦阻力影响较大，以及不同台阶高度、切边形状等因素存在的不同量级上的影响。研究者也发现台阶高度对台阶流动转捩的影响，台阶高度的增加会加快边界层的转捩，而且转捩位置越来越接近台阶。在超声速研究方面，发现边界层分离再附距离会受到流场多种特征的影响，其中包括流场的几何特征如流道扩张比、展高比等；也包括来流特征如雷诺数、来流边界层状态及厚度、来流湍流度等。bolgar（2018）研究了亚声速和超声速状态下台阶周围的流动，结果表明随着平均再附着位置向下游移动，再附着表面的动载荷由亚声速上升到跨声速；当流动在后台阶的尾部变成局部超声速时，平均再附着位置突然向上游移动，归一化动载荷急剧减小。通过对比速度和动态压力数据，表明外部流动和台阶尾部表面附近流动之间的明显分离是导致负载急剧下降的原因。

4、近年来，针对传统流动分离问题探索了多种流动控制方法，如使用吹气、吸气的主动控制，以及使用涡发生器的被动控制。然而，主动控制装置结构一般较为复杂，其控制装置自身会对流场产生其他影响，且实现难度较大。传统的涡发生器虽然具有抑制流动分离的能力，但由于其宏观尺度的原因，会带来较大的附加阻力，从而影响其流动控制效益。

5、因此，本申请提出一种抑制短舱进气道小台阶流动分离装置及设计方法用以解决上述问题。

技术实现思路

1、本发明研发目的是为了解决目前在飞机短舱进气道装配过程中，蒙皮与蒙皮之间存在小尺寸的安装台阶，安装台阶在亚声速、超声速飞行工况下对短舱进气道性能造成重要影响的问题。在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。

2、本发明的技术方案：

3、方案一：一种抑制短舱进气道小台阶流动分离装置，包括发动机进气道壳体壁面和发动机进气道蒙皮凸起，发动机进气道壳体壁面上具有发动机进气道蒙皮凸起，发动机进气道蒙皮凸起与发动机进气道壳体壁面连接处形成安装台阶，所述安装台阶的上游处和下游处分别设置有多条沟槽，多条沟槽为垂直于来流方向的正弦波形沟槽。

4、进一步的，所述安装台阶的高度范围在2mm~3mm之间。

5、方案二：一种抑制短舱进气道小台阶流动分离装置的设计方法，该方法用于设计方案一所述的一种抑制短舱进气道小台阶流动分离装置，包括以下步骤：

6、步骤一：设定安装台阶的高度为h，飞行器来流速度为 u，根据安装台阶高度参数和飞行器来流速度参数得到台阶雷诺数，运动粘度系数v，具体公式为：

7、；

8、步骤二：计算安装台阶边界层速度剖面 u+，计算壁面摩擦速度ur，应用边界层热线测速探针，测量壁面摩擦速度ur；

9、步骤三：调整相应沟槽的距离s，沟槽无量纲距离的计算公式为：

10、；

11、确保沟槽无量纲距离s+=15，使沟槽达到控制效果。

12、进一步的，所述步骤二中，根据不同安装台阶雷诺数湍流速度，安装台阶边界层速度剖面 u+的具体公式为：

13、；

14、；

15、式中 c=5.25，k=0.41，为台阶雷诺数， u+为安装台阶边界层速度剖面。

16、本发明具有以下有益效果：

17、本发明的一种抑制短舱进气道小台阶流动分离装置可以简便高效抑制台阶或突出物等表面缺陷对飞机短舱进气道气动性能的影响，提高飞机短舱进气道气动性能，通过沟槽表面微结构，无需能量或质量输入可以有效减小跨声速短舱进气道小台阶流场中激波对边界层的影响，抑制流动分离。

18、本发明的一种抑制短舱进气道小台阶流动分离装置将为沟槽浸没在来流速度场中，可以改变湍流边界层湍流结构，降低摩擦阻力系数，具有整流效果，增大发动机短舱进气道稳定裕度。

19、本发明的一种抑制短舱进气道小台阶流动分离装置的设计方法，针对实际工况中不同流速、不同安装台阶的高度，设计不同结构尺寸的沟槽流动控制装置，以确保装置达到最大的控制效果。

技术特征：

1.一种抑制短舱进气道小台阶流动分离装置，包括发动机进气道壳体壁面（1）和发动机进气道蒙皮凸起（1-1），发动机进气道壳体壁面（1）上具有发动机进气道蒙皮凸起（1-1），发动机进气道蒙皮凸起（1-1）与发动机进气道壳体壁面（1）连接处形成安装台阶，其特征在于：所述安装台阶的上游处和下游处分别设置有多条沟槽（2），多条沟槽（2）为垂直于来流方向的正弦波形沟槽。

2.根据权利要求1所述的一种抑制短舱进气道小台阶流动分离装置，其特征在于：所述安装台阶的高度范围在2mm~3mm之间。

3.一种抑制短舱进气道小台阶流动分离装置的设计方法，该方法用于设计权利要求1所述的一种抑制短舱进气道小台阶流动分离装置，其特征在于，包括以下步骤：

4.根据权利要求3所述的一种抑制短舱进气道小台阶流动分离装置的设计方法，其特征在于，所述步骤二中，根据不同安装台阶雷诺数湍流速度，安装台阶边界层速度剖面u+的具体公式为：

技术总结一种抑制短舱进气道小台阶流动分离装置及设计方法，属于流动控制技术领域。本发明解决了目前在飞机短舱进气道装配过程中，蒙皮与蒙皮之间存在小尺寸的安装台阶，安装台阶在亚声速、超声速飞行工况下对短舱进气道性能造成重要影响的问题。本发明包括发动机进气道壳体壁面和发动机进气道蒙皮凸起，发动机进气道壳体壁面上具有发动机进气道蒙皮凸起，发动机进气道蒙皮凸起与发动机进气道壳体壁面连接处形成安装台阶，所述安装台阶的上游处和下游处分别设置有多条沟槽，多条沟槽为垂直于来流方向的正弦波形沟槽。本发明的一种抑制短舱进气道小台阶流动分离装置可以简便高效抑制台阶或突出物等表面缺陷对飞机短舱进气道气动性能的影响。技术研发人员：陈通,马晓光,孟宣市,鞠恩博受保护的技术使用者：中国航空工业集团公司沈阳空气动力研究所技术研发日：技术公布日：2024/7/15