脉冲激光控制高超声速进气道来流捕获

针对高超声速进气道在非设计工况下来流捕获量减少的问题,进行了激光能量沉积控制来流捕获的物理建模和数值模拟,在连续激光能量沉积和脉冲激光能量沉积两种方式下获得了进气道的性能参数。激光功率为15kW时,脉冲重复频率越高,与连续能量注入情况下的进气道性能越接近。脉冲重复频率为100kHz时,计算了脉冲方波占空比为0.1,0.2,0.3和0.4时的进气道流场,结果表明:占空比对进气道性能的影响不大;激光脉宽为500ns时,保持激光平均功率不变,当频率为200kHz和100kHz时,流场结构与连续能量注入时类似,而当频率为500kHz和25kHz时的进气捕获量都有所降低,因此,提高激光脉冲重复频率的同时,降低平均功率,不仅可以有效增大来流捕获,还可降低能耗。     

激光能量注入控制Ⅳ型激波干扰的数值研究

激光能量注入可以控制Ⅳ型激波干扰,有效地减小钝头体压力载荷。基于有限体积法和分区结构网格划分的高分辨率数值方法,在来流马赫数为3.45的条件下,计算了单脉冲激光能量注入和连续激光能量注入对Ⅳ型激波干扰的影响。研究结果表明:单脉冲激光能量注入后一个较短时期内(50~60μs),钝头体表面压力突然升高,随后压力有一个较为明显的下降过程,然后恢复原状态;当注入的连续激光能量较小时,钝头体表面压力略微增大,随着注入能量增大,钝头体表面压力峰值减小;在注入能量到一定程度时,钝头体表面压力峰值减小已不明显。     

高重频激光能量注入提高进气捕获率的数值研究

针对来流马赫数低于设计值时,吸气式冲压发动机进气道进气捕获率降低的问题,在唇口上游沉积高重频激光能量使气流偏折以提高进气捕获率。在马赫数为5.0、静压和静温分别为2 551.6 Pa和116.7 K的条件下,通过求解二维非定常可压缩RANS方程,数值研究了高重频激光能量注入提高进气捕获率的作用机制,通过在预想最优能量沉积点附近寻优的方法确定了最佳的能量注入点,结果表明:在该位置沉积频率100 kHz、平均功率500 W的激光能量形成的虚拟唇口可以使来流捕获率由63%提高至97%。结果证明了高重频激光能量注入提高进气捕获率的潜在应用价值,并为能量注入位置的优化选择提供了方法。     

不同来流马赫数下激光能量形成高超声速进气道虚拟唇口的特性

用基于三维非定常可压缩雷诺平均Navier-Stokes方程的有限体积法计算了马赫数低于设计值6时一种高超声速进气道的性能参数,发现其性能存在明显下降。为提升进气道性能,将功率为15kW的激光能量注入进气道固体唇口前的流场中,形成虚拟唇口,马赫数为4.5,5.0和5.5时,计算得到来流捕获率分别提高了34%,20.6%和15.6%。绘制了不同马赫数下来流捕获率达到峰值时的流场压强云图,说明了虚拟唇口的特性及形成机制。结果表明:来流马赫数越低,来流捕获率越小,但相对于无能量注入时的来流捕获率的提升程度越明显;在不同来流马赫数条件下,通过改变激光能量引致的激波结构和位置,可达到最优状态,即激波与进气道前缘斜激波相交后的透射波打在进气道肩部位置的状态。     

脉冲激光与正激波相互作用过程和减阻机理的实验研究

纳秒脉冲激光具有峰值功率密度高、易于击穿空气形成等离子体这一突出优势,在降低超声速波阻方面具有重要应用价值.以深刻揭示减阻机理为目的,针对激光与正激波相互作用这一基本物理现象开展实验研究.发展高精度纹影技术以测量复杂激波结构,时间分辨率达到 30ns,空间分辨率达到 1mm;搭建快速~PIV 实验系统以定量测量流场速度和涡量,时间分辨率达到 500ns.探明了激光等离子体引致的球面激波和高温低密度区域特性,揭示了激光等离子体在正激波冲击下的流动特性与演化规律,并结合数值模拟结果阐明了脉冲激光等离子体降低超声速波阻的根本原因.研究表明:激光等离子体引致激波的初始马赫数随着激光能量而增大,形状由水滴形逐渐发展为球面形,传播速度随着时间降低,在50$\mu$s 后接近于声速;高温低密度区域初始近似于球形,而后从激光入射方向的下游开始失稳,形成尖刺结构;在正激波冲击下,高温低密度区域演化为上下对称的双涡环结构,尺寸随着激光能量而增大.涡的卷吸和逆流可改变飞行器头部激波结构,是流场重构的重要形式,引起飞行器表面压力的大幅降低,是引起超声速飞行器波阻降低的重要机理.      

脉冲激光等离子体与正激波相互作用的PIV实验研究

脉冲激光等离子体与超声速流场相互作用在飞行器减阻隔热、点火助燃等方面具有重要的应用价值.纹影实验方法只能定性或半定量地反映流动状态.为定量研究速度分布和旋涡结构,针对激光等离子体及其与正激波相互作用过程开展粒子图像测速PIV实验研究.在激波管实验平台上建立了纳秒脉冲激光能量沉积系统和PIV测量系统,通过定量测量,探明了激光等离子体引致的激光空气泡以及热核的流动特性,揭示了激光等离子体在正激波冲击下的流动特性与演化规律,并给出了激光能量大小和位置对相互作用过程的影响.结果表明:激光空气泡内的速度分布在激光入射方向上并不关于击穿点对称,而是在靠近激光入射方向一侧的流速略大于远离激光入射方向一侧;斜压导致热核在演化初期产生涡环,后期则由剪切主导;正激波与激光空气泡界面、热核界面相互作用时,产生斜压涡量,当激光能量为87.8 mJ、正激波马赫数1.4时,热核在正激波作用下产生的涡量比在静止空气中演化时大1个数量级;激光与正激波相互作用的关键过程是热核在正激波冲击下演化成涡环,在激波波前注入激光能量能够获得更加显著的涡环.