本發(fā)明涉及一種延遲高超聲速邊界層材料轉(zhuǎn)捩的研究系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)研究方法,為該材料的設(shè)計(jì)提供全面的實(shí)驗(yàn)支持和科學(xué)依據(jù)。
背景技術(shù):
在高超聲速飛行過程中,邊界層轉(zhuǎn)捩大幅增加邊界層的熱傳導(dǎo)系數(shù)和摩擦阻力。如果能夠延遲邊界層的轉(zhuǎn)捩,高超聲速飛行器熱防護(hù)系統(tǒng)的重量和復(fù)雜度便可以顯著降低。在二維或準(zhǔn)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(dòng)大的多的壓力和溫度的強(qiáng)脈動(dòng)引起的,為受困在邊界層中的超聲波。目前,對(duì)高超聲速邊界層轉(zhuǎn)捩進(jìn)行控制的主要途徑包括:熱傳導(dǎo)、頭部鈍化、吸氣以及等離子體等。通過壁面熱傳導(dǎo)方式控制高超聲速邊界層轉(zhuǎn)捩,需要準(zhǔn)確地優(yōu)化局部加熱帶和冷卻帶的位置。同時(shí),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(shí)際應(yīng)用中,邊界層熱傳導(dǎo)方案的設(shè)計(jì)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(zhuǎn)捩,但是頭部鈍化控制邊界層轉(zhuǎn)捩的效率較低。頭部鈍化還必須根據(jù)不同飛行狀態(tài)嚴(yán)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(huì)加速邊界層轉(zhuǎn)捩。除此而外,吸氣可以延遲由第二模態(tài)波主導(dǎo)的邊界層轉(zhuǎn)捩,但是在高溫環(huán)境中應(yīng)用的可行性問題缺乏考證。對(duì)于等離子體控制技術(shù),引入的磁場(chǎng)系統(tǒng)也會(huì)增添結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度和重量。因此,等離子體控制高超聲速邊界層轉(zhuǎn)捩的方法在實(shí)際工程應(yīng)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(gòu)成的薄層,如槽道或者圓孔。由于腔體特征尺寸減小,流動(dòng)受到的剪切作用強(qiáng)度以及流動(dòng)與壁面的摩擦阻力大幅增加。因此,粘性耗散效應(yīng)明顯增強(qiáng)。超聲波的機(jī)械能大量轉(zhuǎn)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(zhuǎn)捩。2001年,莫斯科物理技術(shù)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(shí)了使用合適的超聲波吸收層可以延遲邊界層轉(zhuǎn)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(fù)雜機(jī)構(gòu)和能量消耗。在高超聲速嚴(yán)酷的高溫飛行環(huán)境中,該被動(dòng)式控制方法更具魯棒性和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。2013年,加州理工學(xué)院的Brès通過數(shù)值研究預(yù)測(cè),超聲波吸收層幾何外形(開孔率和寬高比)對(duì)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(duì)其吸波特性影響的實(shí)驗(yàn)研究尚處于空白。超聲波吸收層對(duì)于第二模態(tài)波的影響除了主要的粘性耗散效應(yīng)和熱傳導(dǎo),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(chǎn)生了新的聲學(xué)共振模態(tài)。新的聲學(xué)共振模態(tài)可能會(huì)激發(fā)新的不穩(wěn)定性,加速邊界層轉(zhuǎn)捩。目前,聲學(xué)共振模態(tài)的存在尚沒有被實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
本發(fā)明的一個(gè)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(diǎn)。
本發(fā)明還有一個(gè)目的是提供一種延遲高超聲速邊界層材料轉(zhuǎn)捩的研究系統(tǒng);
本發(fā)明還有一個(gè)目的是提供一種延遲高超聲速邊界層材料轉(zhuǎn)捩的實(shí)驗(yàn)研究方法,其能夠有效應(yīng)用延遲高超聲速邊界層材料轉(zhuǎn)捩的研究系統(tǒng)以研究超聲波吸收層幾何外形對(duì)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(zhuǎn)捩的超聲波吸收層幾何外形;
本發(fā)明還有一個(gè)目的是提供一種高超聲速邊界層材料中聲學(xué)共振模態(tài)的捕捉方法,配合延遲高超聲速邊界層材料轉(zhuǎn)捩的研究系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)研究方法,同時(shí)驗(yàn)證聲學(xué)共振模態(tài)的存在,為超聲波吸收層設(shè)計(jì)提供全面的實(shí)驗(yàn)支持和科學(xué)依據(jù)。
為了實(shí)現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的這些目的和其它優(yōu)點(diǎn),提供了一種延遲高超聲速邊界層材料轉(zhuǎn)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(shè)有多個(gè)相互均勻間隔開平行設(shè)置的矩形開口槽;
超聲波發(fā)生器,其設(shè)置在所述超聲波吸收層模型的一側(cè),使得所述超聲波發(fā)生器發(fā)出的超聲波經(jīng)超聲波吸收層反射后產(chǎn)生回波;以及
壓力傳感器,其設(shè)置在所述超聲波吸收層模型的另一側(cè),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(zhǔn)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(gè)矩形開口槽的規(guī)格參數(shù)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(zhǔn)超聲波吸收層模型上的多個(gè)矩形開口槽的規(guī)格參數(shù)為:半 寬0.15mm,開孔率0.5,寬高比0.12;P1上的多個(gè)矩形開口槽的規(guī)格參數(shù)為:半寬0.15mm,開孔率0.2,寬高比0.12;P2上的多個(gè)矩形開口槽的規(guī)格參數(shù)為:半寬0.15mm,開孔率0.8,寬高比0.12;A1上的多個(gè)矩形開口槽的規(guī)格參數(shù)為:半寬0.15mm,開孔率0.5,寬高比0.06;A2上的多個(gè)矩形開口槽的規(guī)格參數(shù)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(zhuǎn)捩的實(shí)驗(yàn)研究方法,其特征在于,包括以下步驟:
步驟一、應(yīng)用延遲高超聲速邊界層材料轉(zhuǎn)捩的研究系統(tǒng)并結(jié)合一平板進(jìn)行超聲波入射檢測(cè)獲得平板超聲波回波幅值A(chǔ)FP,其中,所述平板的規(guī)格為80-100mm×80-100mm×10-20mm;
步驟二、應(yīng)用延遲高超聲速邊界層材料轉(zhuǎn)捩的研究系統(tǒng)并分別結(jié)合基準(zhǔn)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(jìn)行檢測(cè)獲得基準(zhǔn)超聲波回波幅值A(chǔ)UAC、AUACP1和AUACP2,應(yīng)用下列公式M分別計(jì)算獲得反射系數(shù)為RUAC、RUACP1和RUACP2:
其中,當(dāng)靜態(tài)實(shí)驗(yàn)?zāi)M同一飛行高度時(shí),且超聲波發(fā)生器發(fā)出的超聲波功率相等時(shí),比較反射系數(shù)RUAC、RUACP1和RUACP2的大小,越小的反射系數(shù)對(duì)應(yīng)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(zhuǎn)捩。
步驟三、應(yīng)用延遲高超聲速邊界層材料轉(zhuǎn)捩的研究系統(tǒng)并分別結(jié)合基準(zhǔn)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(jìn)行檢測(cè)獲得基準(zhǔn)超聲波回波幅值RUAC、AUACA1和AUACA2,應(yīng)用下列公式M分別計(jì)算獲得反射系數(shù)為RUAC、RUACA1和RUACA2:
其中,當(dāng)靜態(tài)實(shí)驗(yàn)?zāi)M同一飛行高度時(shí),且超聲波發(fā)生器發(fā)出的超聲波功率相等時(shí),比較反射系數(shù)RUAC、RUACA1和RUACA2的大小,越小的反射系數(shù)對(duì)應(yīng)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(zhuǎn)捩。
一種高超聲速邊界層材料中聲學(xué)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(yīng)用延遲高超聲速邊界層材料轉(zhuǎn)捩的研究系統(tǒng)并使用基準(zhǔn)超聲波吸收層模型,檢測(cè)回波壓力信號(hào),將回波壓力信號(hào)進(jìn)行傅立葉變換,獲得對(duì)應(yīng)的功率譜密度特征;
步驟二、聲學(xué)共振模態(tài)波長(zhǎng)λres由多個(gè)矩形開口槽中相鄰兩個(gè)矩形開口槽的槽道間距決定,λres=s;因此,聲學(xué)共振模態(tài)頻率fres由下式獲得:
其中a為聲速;
當(dāng)步驟一中延遲高超聲速邊界層材料轉(zhuǎn)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fres附近出現(xiàn)峰值,則超聲波吸收層模型中聲學(xué)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(zhuǎn)捩的研究系統(tǒng)中,超聲波發(fā)生器產(chǎn)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(cè)回波,分析超聲波反射系數(shù),用于為研究超聲波吸收層幾何外形對(duì)其靜態(tài)吸波特性的影響提供設(shè)備研究基礎(chǔ);以及通過壓力傳感器檢測(cè)回波,分析超聲波回波壓力信號(hào)的功率譜密特征,為驗(yàn)證聲學(xué)共振模態(tài)的存在提供設(shè)備研究基礎(chǔ);
本發(fā)明提供的延遲高超聲速邊界層材料轉(zhuǎn)捩的實(shí)驗(yàn)研究方法,其能夠有效應(yīng)用延遲高超聲速邊界層材料轉(zhuǎn)捩的研究系統(tǒng)以研究超聲波吸收層幾何外形對(duì)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(zhuǎn)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(xué)共振模態(tài)的捕捉方法,配合延遲高超聲速邊界層材料轉(zhuǎn)捩的研究系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)研究方法,同時(shí)驗(yàn)證聲學(xué)共振模態(tài)的存在,為超聲波吸收層設(shè)計(jì)提供全面的實(shí)驗(yàn)支持和科學(xué)依據(jù)。
本發(fā)明的其它優(yōu)點(diǎn)、目標(biāo)和特征將部分通過下面的說明體現(xiàn),部分還將通過對(duì)本發(fā)明的研究和實(shí)踐而為本領(lǐng)域的技術(shù)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(zhuǎn)捩的研究系統(tǒng)的側(cè)面結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)捩的實(shí)驗(yàn)研究方法中反射系數(shù)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(zhuǎn)捩的實(shí)驗(yàn)研究方法中反射系數(shù)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(zhuǎn)捩的實(shí)驗(yàn)研究方法中反射系數(shù)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(zhuǎn)捩的實(shí)驗(yàn)研究方法中反射系數(shù)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(zhuǎn)捩的實(shí)驗(yàn)研究方法中反射系數(shù)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(zhuǎn)捩的實(shí)驗(yàn)研究方法中反射系數(shù)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(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明,以令本領(lǐng)域技術(shù)人員參照說明書文字能夠據(jù)以實(shí)施。
應(yīng)當(dāng)理解,本文所使用的諸如“具有”、“包含”以及“包括”術(shù)語并不配出一個(gè)或多個(gè)其它元件或其組合的存在或添加。
實(shí)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(zhuǎn)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(shè)有多個(gè)相互均勻間隔開平行設(shè)置的矩形開口槽2;超聲波發(fā)生器3,其設(shè)置在所述超聲波吸收層模型的一側(cè),使得所述超聲波發(fā)生器發(fā)出的超聲波經(jīng)超聲波吸收層反射后產(chǎn)生回波;以及壓力傳感器4,其設(shè)置在所述超聲波吸收層模型的另一側(cè),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(cè)回波,分析超聲波反射系數(shù),用于為研究超聲波吸收層幾何外形對(duì)其靜態(tài)吸波特性的影響提供設(shè)備研究基礎(chǔ);以及通過壓力傳感器檢測(cè)超聲波吸收層模型的回波壓力信號(hào),分析超聲波回波壓力信號(hào)的功率譜密特征,為驗(yàn)證聲學(xué)共振模態(tài)的存在提供設(shè)備研究基礎(chǔ)。
一個(gè)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(gè)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(gè)優(yōu)選方案中,所述超聲波吸收層模型包括基準(zhǔn)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(gè)矩形開口槽的規(guī)格參數(shù)為:半寬0.15mm,開孔率0.2-0.8,寬高比0.06-0.24。
一個(gè)優(yōu)選方案中,所述基準(zhǔn)超聲波吸收層模型上的多個(gè)矩形開口槽的規(guī)格參數(shù)為:半寬0.15mm,開孔率0.5,寬高比0.12;P1上的多個(gè)矩形開口槽的規(guī)格參數(shù)為:半寬0.15mm,開孔率0.2,寬高比0.12;P2上的多個(gè)矩形開口槽的規(guī)格參數(shù)為:半寬0.15mm,開孔率0.8,寬高比0.12;A1上的多個(gè)矩形開口槽的規(guī)格參數(shù)為:半寬0.15mm,開孔率0.5,寬高比0.06;A2上的多個(gè)矩形開口槽的規(guī)格參數(shù)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(shí)施例2
一種延遲高超聲速邊界層材料轉(zhuǎn)捩的實(shí)驗(yàn)研究方法,其特征在于,包括以下步驟:
步驟一、應(yīng)用延遲高超聲速邊界層材料轉(zhuǎn)捩的研究系統(tǒng)并結(jié)合一平板進(jìn)行超聲波入射檢測(cè)獲得平板超聲波回波幅值A(chǔ)FP,其中,所述平板的規(guī)格為80-100mm×80-100mm×10-20mm;
步驟二、應(yīng)用延遲高超聲速邊界層材料轉(zhuǎn)捩的研究系統(tǒng)并分別結(jié)合基準(zhǔn)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(jìn)行檢測(cè)獲得基準(zhǔn)超聲波回波幅值RUAC、AUACP1和AUACP2,應(yīng)用下列公式M分別計(jì)算獲得反射系數(shù)為RUAC、RUACP1和RUACP2:
其中,當(dāng)靜態(tài)實(shí)驗(yàn)?zāi)M同一飛行高度時(shí),且超聲波發(fā)生器發(fā)出的超聲波功率相等時(shí),比較反射系數(shù)RUAC、RUACP1和RUACP2的大小,越小的反射系數(shù)對(duì)應(yīng)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(zhuǎn)捩;
步驟三、應(yīng)用延遲高超聲速邊界層材料轉(zhuǎn)捩的研究系統(tǒng)并分別結(jié)合基準(zhǔn)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(jìn)行檢測(cè)獲得基準(zhǔn)超聲波回波幅值A(chǔ)UAC、AUACA1和AUACA2,應(yīng)用下列公式M分別計(jì)算獲得反射系數(shù)為RUAC、RUACA1和RUACA2:
其中,當(dāng)靜態(tài)實(shí)驗(yàn)?zāi)M同一飛行高度時(shí),且超聲波發(fā)生器發(fā)出的超聲波功率相等時(shí),比較反射系數(shù)RUAC、RUACA1和RUACA2的大小,越小的反射系數(shù)對(duì)應(yīng)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(zhuǎn)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(shù)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(shù)的振蕩減弱。這說明,對(duì)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(nèi)第二模態(tài)波的能力強(qiáng),更利于延遲高超聲速邊界層轉(zhuǎn)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(chǎn)生的聲學(xué)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(zhuǎn)捩。
實(shí)施例3
一種高超聲速邊界層材料中聲學(xué)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(yīng)用延遲高超聲速邊界層材料轉(zhuǎn)捩的研究系統(tǒng)并使用基準(zhǔn)超聲波吸收層模型,檢測(cè)回波壓力信號(hào),將回波壓力信號(hào)進(jìn)行傅立葉變換,獲得對(duì)應(yīng)的功率譜密度特征;
步驟二、聲學(xué)共振模態(tài)波長(zhǎng)λres由多個(gè)矩形開口槽中相鄰兩個(gè)矩形開口槽的槽道間距決定,λres=s;因此,聲學(xué)共振模態(tài)頻率fres由下式獲得:
其中a為聲速;
當(dāng)步驟一中延遲高超聲速邊界層材料轉(zhuǎn)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fres附近出現(xiàn)峰值,也即是fres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(xué)共振模態(tài)存在,且被捕捉。
比如:當(dāng)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(shí),應(yīng)用步驟二的方法計(jì)算獲得聲學(xué)共振模態(tài)頻率fres為566.7kHz,而通過壓力傳感器檢測(cè)獲得的回波壓力信號(hào)功率譜密度特征在566.7kHz出現(xiàn)峰值,驗(yàn)證了聲學(xué)共振模態(tài)的存在并成功捕捉,為超聲波吸收層設(shè)計(jì)提供全面的實(shí)驗(yàn)支持和科學(xué)依據(jù)。
盡管本發(fā)明的實(shí)施方案已公開如上,但其并不僅僅限于說明書和實(shí)施方式中所列運(yùn)用,它完全可以被適用于各種適合本發(fā)明的領(lǐng)域,對(duì)于熟悉本領(lǐng)域的人員而言,可容易地實(shí)現(xiàn)另外的修改,因此在不背離權(quán)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(xì)節(jié)和這里示出與描述的圖例。