[发明专利]一种多尺度流动控制的减摩阻装置及制造方法

说明书

本发明涉及一种多尺度流动控制的减摩阻装置及制造方法，属于流动控制技术领域，条状等离子体涡流发生器与沟槽壁面依次沿流向交替排列，条状等离子体涡流发生器形成沿展向排布的流向涡阵列，限制湍流边界层内大尺度流动结构的展向不规则运动，降低中高雷诺数下大尺度流动结构所引起的摩阻成分；沟槽壁面降低湍流边界层内近壁流动结构引起的壁面摩阻，对近壁区小尺度流动结构加以控制；在等离子体涡流发生器所产生的流向涡阵列与沟槽壁面的共同作用范围内形成针对多尺度流动结构控制的区域。本发明通过对湍流边界层内外区大尺度流动结构及近壁区小尺度流动结构的不规则运动共同施加控制，从而降低其所对应的摩阻成分，降低总阻力，提高减阻效果。

技术领域

本发明涉及流动控制技术领域，特别是涉及一种针对湍流边界层内多尺度流动结构控制的减摩阻装置及制造方法。

背景技术

气动阻力是航空飞行器高速运动时所付出的必要代价。其中，因飞行器表面与流体的相对运动所引发的摩擦阻力约占其气动总阻力的50％。而对于大型飞行器而言，大量摩阻则由附着其表面的湍流边界层所产生。因此，针对湍流边界层开展减摩阻研究有助于显著降低飞行器的飞行总阻力。

在给定的来流条件与飞行器气动外形下，往往通过控制湍流边界层内多尺度的流动结构来实现摩阻的降低。沟槽壁面技术因具有无需能量注入、易于工程部署、附加质量低、不破坏机体结构等优点，成为在航空飞行器上最具有广泛应用前景的被动式减阻流动控制技术。然而，沟槽减阻目前尚未得到大规模应用。除了沟槽加工、敷装与维护困难外，以下问题也限制着沟槽减阻效果：

(1)沟槽减阻对来流条件要求较为苛刻，然而在实际应用中特征雷诺数跨度大，往往难以在较广的时空范围内保持沟槽的最优减阻条件，因而在偏离设计雷诺数时出现摩阻增加的现象。

(2)真实工况的流动复杂多变，当地来流往往同沟槽主方向并不重合，使得实际减阻效果显著降低甚至出现增阻的风险。

(3)湍流边界层中存在尺度丰富的流动结构。中高雷诺数下湍流边界层外区大尺度流动结构(尺寸大于边界层名义厚度)对近壁摩阻的影响愈发明显，此时仅通过控制近壁面小尺度流动结构(尺寸小于边界层名义厚度)来实现摩阻降低的效果较为有限。

发明内容

本发明的目的是提供一种多尺度流动控制的减摩阻装置及制造方法，对湍流边界层内大尺度流动结构、小尺度流动结构两种模态共同施加控制，提高减阻效果。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种多尺度流动控制的减摩阻装置，所述减摩阻装置包括：条状等离子体涡流发生器和沟槽壁面；

条状等离子体涡流发生器和沟槽壁面的数量相同且均至少为一个；条状等离子体涡流发生器与沟槽壁面依次沿流向交替排列；

所述条状等离子体涡流发生器用于形成沿展向排布的流向涡阵列，降低湍流边界层内大尺度结构不规则流动行为引起的壁面摩阻；

所述沟槽壁面用于降低湍流边界层内近壁小尺度流动结构引起的壁面摩阻。

可选的，在法向上，条状等离子体涡流发生器与沟槽壁面布置于同一固壁面高度上；在流向上，条状等离子体涡流发生器布置于气流的上游，沟槽壁面布置于气流的下游，沟槽壁面前缘紧贴条状等离子体涡流发生器后缘；在展向上，条状等离子体涡流发生器与沟槽壁面的展向宽度一致。

可选的，所述条状等离子体涡流发生器包括：绝缘介质层、多条上电极和多条下电极；

多条下电极均设置于绝缘介质层内部，多条下电极沿展向依次均匀排布；多条上电极位于绝缘介质层上；

多条上电极和多条下电极的长边均平行于流向，多条上电极和多条下电极沿展向依次交替排布，相邻上电极的间距与下电极的宽度相等，下电极位于相邻上电极之间区域的正下方；