上游流场参数和下游压力扰动对激波串移动特性的影响

发布时间：2020-09-02 14:38

　　激波串是超声速/高超声速气流在减速增压过程中出现的一种以激波与边界层干扰为主要特征的复杂流动现象,广泛存在于吸气式高超声速飞行器的进气道/隔离段和超声速风洞扩压段等部件中。除了流动形态十分复杂,激波串还表现出非稳态性,即便在来流条件和反压脉动都保持恒定的情况下,激波串的位置和形态仍会出现不稳定现象;这种非定常激波与边界层干扰现象对上游流场参数变化和下游压力脉动都十分敏感,往往会出现大尺度的低频振荡现象,直接影响着气动部件的结构颤振和不起动状态,因此开展激波串的动态特性研究对于飞行器结构设计和气动性能具有重要意义。首先,采用动态压力测量、多视角纹影测量、粒子图像测速技术(PIV)和基于剪切敏感液晶的表面摩擦力测量技术等实现了对Ma2.7管道模型中典型斜激波串的三维流场结构的刻画和重构,并研究了管道中起动激波的演化过程、激波反射迟滞现象以及斜激波串的自激振荡现象等,加深了对斜激波串的非定常特性的认知。其次,对管道内斜激波串的受迫振动特性进行了详细的实验研究,包括下游周期性压力扰动的前传特性、斜激波串受迫振荡中的运动规律和流场结构变化特征和影响斜激波串受迫振荡运动的因素等,以及开展了管道中斜激波串运动轨迹与反压变化率之间关系的建模分析。发现斜激波串的受迫振荡运动对下游周期性压力扰动的响应机制是,不同形式的反压扰动沿着管道中亚声速区域和分离区前传,使得上游的激波波后压力发生变化,以同样的频率在管道中往返运动,通过改变激波的相对强度来匹配下游的压力变化情况。非定常激波与边界层的干扰特性对斜激波串的非定常运动十分敏感,由激波速度和激波位置改变引起的激波相对强度的变化对这种非定常激波与边界层的干扰特性起主导作用。而反压扰动的幅值、频率和波形等对管道中出现的非定常激波与边界层扰动特性没有明显的影响,可将斜激波串在管道内的受迫振荡运动简化成一种刚性运动。然后,详细介绍了管道中内置斜楔、凹腔和鼓包等具有不同形式压力梯度变化的上游激波流场,研究了在背压条件下斜激波串前移经过上游复杂激波流场的流场结构变化特征和运动特性。发现与上游激波相互作用时,斜激波串的非对称分离偏转形态发生了切换、在前移运动中出现了快速前移和被稳定住等现象,以及在上游激波流场中存在的较强逆压梯度的分离区与斜激波串相互作用的流场迟滞现象。并提出了一种在管道中内置双斜楔的上游激波流场控制方式,通过在流场中产生具有微弱非对称性的上游激波结构,实现了对斜激波串的偏转方向和结构形态的主动流动控制。进一步,开展了同时在不同形式的上游激波流场干扰和下游周期性压力扰动中斜激波串的受迫振荡特性实验研究。在与上游激波流场的相互作用中,当受到下游周期性压力扰动时,斜激波串同样以相同的反压扰动频率在管道中出现受迫振荡运动;与在均匀流场中斜激波串受迫振荡的幅值/频率特性不同,在上游激波干扰流场中,斜激波串受迫振荡的振幅值随着反压扰动频率的增加基本都保持不变;在某种程度上,斜激波串在受迫振荡运动中经过上游激波流场中具有顺压梯度变化的区域时,受迫振荡的幅值相比于在均匀流场中大幅度减小。最后,在Ma5对称管道模型中,研究了在高马赫数下斜激波串的流场结构特性、与上游激波相互作用的流动结构和动态特性以及在高反压条件下发生的分离激波的非对称偏转切换现象。发现在入射激波的振荡运动中,这种分离激波的偏转切换现象是随机发生的,与高反压条件下发生在前端压缩面左右侧的溢流和入射激波的自激振荡有关。
【学位单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：V211;V411
【部分图文】：

等截面管道,壁面静压,流动形态,中心线

内外研究现状 Kazuyasu Matsuo[3]和 F. Gnani[19]等人分别在 1999 年和2016 年发表的关于激的综述文章，国内易仕和[20]等同样对隔离段内激波串的流场特性研究进展的介绍了这种出现在管道内的复杂的超声速和高超声速流动现象。从 1949 年erk[21]在对超声速风洞扩压段设计中通过实验的方式首次观察到了由激波与边的激波串现象开始，国内外许多学者采用理论分析、数值模拟和风洞试验等多波与边界层的相互作用现象进行了一序列的研究工作。研究均表明，激波与对整个流场的影响非常重要，尤其是在激波强度足以使得边界层发生分离的源于一种工程上的形象叫法，用来描述进口来流马赫数大于 1.5 时在管道内形和边界层相干结构。如图 1.2 中所示，通过传统的纹影技术能够直观地获取图像，文献中[3]将“激波串区域”（Shock Train Region）定义为壁面静压升高心线静压与壁面静压汇合点之间的区域，而“混合区”（Mixing Region）位于“，这其中不存在激波结构，壁面静压分布规律与中心线静压分布规律基本保持”连同“混合区”一起构成了“伪激波区域”（Pseudo-shock Wave Region）。

示意图,激波,马赫数,面层

南京航空航天大学博士学位论文，可近似为无粘正激波状态，且没有发生边界层分离；当来流马赫数在 1.2 至 1.3 之与边界层相互干扰也相对较弱，在沿着壁面位置，激波端部开始倾斜分叉；随着来续增大到 1.3 至 1.5 之间时，可以明显的观察到激波端部分叉结构的出现，此时观察构称为 λ 型激波；当来流马赫数大于 1.5 时，激波端部的分叉激波逐渐增大，观察构称为 Х 型激波。其中，激波后的流动分离情况随着来流马赫数的增大也可以反应

示意图,激波反射,马赫反射,准则

其中，激波后的流动分离情况随着来流马赫数的增大也可以图 1.4 不同来流马赫数下激波与边面层相互作用示意图[3]的形态随马赫数变化的机理依托于定常激波反射理论，如图 1.5 中所示赫反射和斜激波串中出现的规则反射分别对应着二维激波反射准则[25-28] reflection）和规则反射（Regular reflection），其中，实线为 Von Neumann。这两条准则仅适用于二维定常激波反射，陶渊[29]等人将这种二维的理响，而管道内斜激波串中的三维效应也是下一步研究工作中的重点。

【参考文献】