高超声速稀薄流中横向喷流干扰特性实验研究

喷流干扰是高超声速飞行高精度控制的一种有效手段,研究者们以往大部分都主要集中于连续流条件下喷流干扰效应的机理研究,并给出了喷流干扰流场的典型结构,而稀薄流条件下喷流干扰特性的实验数据还十分匮乏.本文利用JFX爆轰激波风洞产生高超声速稀薄自由流,基于平板模型开展不同喷流压力和自由来流参数对横向喷流干扰特性影响的实验研究,采用高速纹影成像及图像处理技术,获得稀薄流条件下喷流干扰流场演化过程及流场结构的变化规律.相比于无喷流条件形成的流场,横向喷流与稀薄自由流相互作用形成的流场结构更为复杂,喷流压力由于受到稀薄来流的扰动,斜激波会短暂穿透喷流干扰流场并延伸至楔形体上部.喷流干扰流场内桶状激波的影响范围随着喷流压力的升高而逐渐变宽,位于三波点上游的斜激波空间位置不会随喷流压力的变化而改变,而位于三波点下游的弓形激波则向上游移动,当喷流压力过低时,桶状激波不会与其他两种激波交汇形成三波点.高超声速稀薄来流压力的降低同样会使桶状激波的影响范围变宽,弓形激波同样也会向上游移动,但基本不会对斜激波空间位置产生任何影响.     

在超声速流动中激波与边界层的干扰特性

激波与物面边界层的干扰涉及可压缩流动的稳定性、转捩、分离等问题,直接影响到飞行器的阻力、表面热防护和飞行性能等工程技术问题。首先总结了前人对于激波与边界层的干扰所做的工作,之后重点研究和对比分析了超声速与跨声速流动中,正激波、斜激波以及头部激波对于飞行器层流和湍流边界层的干扰影响。激波强度的不同对边界层干扰作用不同,在强干扰情况下将会引起边界层分离和翼型失速。     

逆向喷流流场模态分析及减阻特性研究

逆向喷流减阻的基本原理是利用逆向高速喷流与飞行器绕流的相互作用，使飞行器周围的流场结构发生变化，致使飞行器的气动特性发生改变，从而改善飞行器的气动性能。利用数值模拟方法对轴对称球头、截锥的逆向喷流流场开展了研究，考虑了高温非平衡化学反应对流场的影响。模拟了球头和截锥在不同总压比时流场不同的模态：长穿透流模态（LPM）和短穿透流模态（SPM），得到了不同模态下钝体表面压力、气动力系数和不同模态之间转换的瞬态效应．简单分析了喷流在减阻方面的应用，给出了几个喷口参数与减阻效率之间的关系，提出了喷流减阻工程应用时应考虑的主要因素。     

超声速钝体逆向喷流减阻的数值模拟研究

为研究逆向喷流技术对超声速钝体减阻的影响,采用标准k-ε湍流模型,通过求解二维Navier-Stokes方程对超声速球头体逆向冷喷流流场进行了数值模拟,并着重分析了喷口总压、喷口尺寸对流场模态和减阻效果的影响。计算结果显示:随着喷流总压的变化,流场可出现两种流动模态,即长射流穿透模态和短射流穿透模态;喷流能使球头体受到的阻力明显减小;存在最大减阻临界喷流总压值(在所研究参数范围内最大减阻可达51.1%);在其它喷流物理参数不变时,随着喷口尺寸的增大,同一流动模态下的减阻效果下降。本文的研究对超声速钝体减阻技术在工程上的应用具有一定的参考价值。     

运动物体与运动激波干扰流场特性数值研究

用数值方法求解非定常可压缩Navier—Stokes方程，模拟了运动物体分别以超声速和亚声速穿越激波的全过程。在这两种情况下，激波都是从高压区运动到低压区，阻力急剧地减小，但在亚声速情况下，会在物体上产生不对称力和力矩，导致运动物体的不稳定。     

超音速流动中侧向喷流干扰特性的实验研究

在超音速流动中，进行了侧向喷流干扰特性的实验研究，研究了喷流压力、 攻角、迎风侧及背风侧喷流对侧向喷流干扰特性的影响. 结果表明，随喷流压力增大，喷流 前的高压区向前扩展，喷流的包裹作用加强. 有攻角时，背风侧喷流前的高压区更大，喷流 包裹作用的影响区域前移，喷流的控制效果更好，这一趋势随攻角的增大更加明显.     

变高度圆柱诱导的激波边界层干扰

采用分区方法及Ｒｏｅ三阶流通量差分分裂格式求解雷诺平均Ｎ－Ｓ方程,湍流附加黏性系数用Ｂａｌｄｗｉｎ－Ｌｏｍａｘ模型计算,数值模拟了高超声速条件下变高度圆柱诱导的激波边界层层干扰,其流场的主要特性均与实验结果一致或规律相同,结果清晰地展示了流场结构以及气动载荷分布随柱高度的变化特征,产说明激波碰撞和旋涡运动都可能导致飞行器表面局部气动载荷的增加。     

超声速双层翼翼型的阻力特性研究

以布兹曼双层翼为基础,采用基于压力梯度自适应的非结构网格求解欧拉方程的计算流体力学(CFD)方法,计算分析了双层翼翼型的厚度和翼面间距对阻力特性的影响。在马赫数为1.7的情况下,由于激波的反射和干涉,超声速双层翼翼型的阻力系数仅为0.00189,为相同厚度菱形翼型的1/15。本文通过进一步的研究发现:减少翼型厚度对于双层翼翼型设计马赫数的阻力系数有一定的影响,且与超声速状态相比,厚度对于亚声速状态的阻力影响更大,厚度减少20%,亚声速状态的阻力系数减少可达60%以上;翼面间距对阻力特性的影响相对复杂,设计马赫数之前的阻力系数与翼面间距成反比,而设计马赫数之后的阻力系数与翼面间距成正比。在此基础上,基于激波的反射及干涉效应,提出了一种双设计状态的双层翼翼型,在最佳设计点之前,双层翼之间的激波/膨胀波会有两次反射,使翼型前后的压力基本相同,阻力系数出现一次下降。随着马赫数的增加马赫角减少,激波经过一次反射就能使翼型前后的压力基本相同,使翼型达到最佳设计状态。计算结果表明,双设计状态双层翼能够使双层翼翼型在两个设计点都具有较低的阻力系数。     

激波与转捩边界层干扰非定常特性数值分析

激波与边界层干扰的非定常问题是高速飞行器气动设计中基础研究内容之一.以往研究主要针对层流和湍流干扰,在分离激波低频振荡及其内在机理方面存在着上游机制和下游机制两类截然不同的理论解释.分析激波与转捩边界层干扰下非定常运动现象有助于进一步加深理解边界层状态以及分离泡结构对低频振荡特性的影响规律,为揭示其产生机理指出新的方向.采用直接数值模拟方法对来流马赫数2.9,24?压缩拐角内激波与转捩边界层干扰下激波的非定常运动特性进行了数值分析.通过在拐角上游平板特定的流向位置添加吹吸扰动激发流动转捩,使得进入拐角的边界层处于转捩初期阶段.在验证了计算程序可靠性的基础上,详细分析了转捩干扰下激波运动的间歇性和振荡特征,着重研究了分离泡展向三维结构对激波振荡特性的影响规律,最后还初步探索了转捩干扰下激波低频振荡产生的物理机制.研究结果表明:分离激波的非定常运动仍存在强间歇性和低频振荡特征,其时间尺度约为上游无干扰区内脉动信号特征尺度的10倍量级;分离泡展向三维结构不会对分离激波的低频振荡特征产生实质影响.依据瞬态脉动流场的低通滤波结果,转捩干扰下激波低频振荡的诱因来源于拐角干扰区下游,与流场中分离泡的收缩/膨胀运动存在一定的关联.     

侧向多喷口干扰复杂流动数值模拟研究

采用具有高分辨率的NND格式,通过数值求解N-S方程对典型外形多喷口侧向喷流复杂干扰流动进行了数值模拟. 为了提高计算效率,采用了LU-SGS隐式算法. 采用分块对接网格技术,生成高质量的贴体计算网格,精确模拟喷口截面. 对比分析了不同计算格式、限制器形式、网格拓扑及流动形态(层流与湍流)对喷流干扰流场结构和压力分布特性的影响,研究和分析了喷口附近流场的涡系结构、波系结构和喷流干扰引起的气动力特性. 在上述研究的基础上,针对典型飞行器外形的侧向喷流干扰特性进行了详细的数值模拟,得到了喷口参数(喷口位置、数目等)及来流条件对喷流干扰流场结构、气动力特性的影响规律,并对其流动机理进行了相应的分析. 研究表明,发展的针对多喷口侧喷干扰的数值计算方法是成功的,可以应用于飞行器侧向喷流干扰的流场结构分析及气动力特性数值预测.      

数值研究平板方舵激波-湍流边界层干扰

数值研究了平板方舵激波-湍流边界层干扰流场。模拟出了分离激波与弓型激波砬撞后形成的“λ”激波结构;消晰地显示了分离区中的旋涡结构,发现流场中会出现二次分离涡,并从理论上分析了流场对称面涡心形态与非定常的关系,得到了涡心为不稳定螺旋点或出现极限环是非定常流动特征的新结论。     

激波/边界层相互作用诱导的激波风洞气体污染问题

应用多组分NS方程和频散可控耗散格式(DCD)计算了爆轰驱动激波风洞中反射激波/ 边界层/接触面的相互作用过程,分析了驱动气体与试验气体在壁面射流作用下的掺混机制及 其对风洞试验时间的影响. 为了延长风洞的试验时间,提出在风洞贮室内增设环形隔板, 以隔离壁面射流,延长风洞试验时间的方法. 计算结果表明：环形隔板确实可以限制驱动气 体与试验气体的过早掺混,显著增加激波风洞的有效试验时间.     

超声速平板边界层斜波失稳转捩过程研究

以5阶迎风和6阶对称紧致格式混合差分求解三维可压缩滤波Navier-Stokes方程,对Mach 数为4.5, Reynolds数为10000的空间发展平板边界层湍流进行了大涡模拟. 时间推进采用 紧致存储3阶Runge-Kutta方法,亚格子尺度模型为修正Smagorinsky涡黏性模型. 通过在 入口边界叠加一对线性最不稳定第一模态斜波扰动,数值模拟得到了平板层流边界层失稳转 捩直至湍流的演化过程. 对流场转捩过程中瞬时量及统计平均量的分析表明,数值模拟结果 与理论吻合,得到的Y型剪切层、交替\Lambda涡结构以及转捩后期的发卡涡结构的发展 变化与相关文献结果一致,湍流流谱定性合理.     

INTERFERENCE OF SHOCK AND BOUNDARY LAYER IN SUPERSONIC FLOW

激波与物面边界层的干扰涉及可压缩流动的稳定性、转捩、分离等问题,直接影响到飞行器的阻力、表面热防护和飞行性能等工程技术问题。首先总结了前人对于激波与边界层的干扰所做的工作,之后重点研究和对比分析了超声速与跨声速流动中,正激波、斜激波以及头部激波对于飞行器层流和湍流边界层的干扰影响。激波强度的不同对边界层干扰作用不同,在强干扰情况下将会引起边界层分离和翼型失速。     

激波诱导的燃烧粉尘云边界层的结构

足够强的激波扫过铺有可燃粉尘的界面时，波后形成燃烧的粉尘云边界层。为揭示其内部结构，本文对该现象进行了实验和理论两个方面的研究。理论计算表明燃烧粉云边界层可分为三个区域：诱导区、反应区和扩散区，诱导区的粉尘浓度最高，计算获得的粉尘云轮廓和点火延迟与实验结果基本吻合．     

跨声速激波边界层相互作用的被动控制

运用激波管风洞在Ｒ＿（ｅ∞／ｍ＝３×１０￣７，Ｍ＿∞＝０．７３２－０．８１７范围内，在厚度比为１２％的圆弧翼型半模型和厚度比为１４％的超临界翼型半模型上，对被动控制现象及其若干规律进行了实验研究。结果表明，不同空腔深度的开孔壁和导管连通壁均可对壁面激波与边界层的相互作用实现被动控制，使得沿以上两种模型表面的马赫数峰值、逆压力梯度和激波强度明显减小。这对于飞行器将起到减阻作用，如将这一原理和方法用于超、跨声速压气机内激波与边界层相互作用的控制，将提高压气机的效率和工作的稳定性。     

数值研究激波与旋涡的相互作用

从非定常形式的Euler方程出发,数值模拟了运动激波与旋涡相互作用的非定常流动过程。为保证激波具有较高的分辨率,采用对称型TVD格式进行了数值计算。结果表明。这样可以有效地模拟流场中一些复杂的流动现象,如激波变形、激波分叉和三波点的形成,以及旋涡结构的变化过程等,并与已有的实验流动显示相符良好。同时,也是对TVD格式求解这类问题的一次初步尝试。     

跨声速激波边界层相互作用的被动控制

运用激波管风洞在Ｒ＿（ｅ∞／ｍ＝３×１０￣７，Ｍ＿∞＝０．７３２－０．８１７范围内，在厚度比为１２％的圆弧翼型半模型和厚度比为１４％的超临界翼型半模型上，对被动控制现象及其若干规律进行了实验研究。结果表明，不同空腔深度的开孔壁和导管连通壁均可对壁面激波与边界层的相互作用实现被动控制，使得沿以上两种模型表面的马赫数峰值、逆压力梯度和激波强度明显减小。这对于飞行器将起到减阻作用，如将这一原理和方法用于超、跨声速压气机内激波与边界层相互作用的控制，将提高压气机的效率和工作的稳定性。