高超声速进气道中激波边界层干扰现象研究

发布时间：2020-10-24 07:23

　　 激波/边界层干扰现象普遍存在于高超声速进气道内外流场中,是影响进气道起动性能的重要因素。通常,进气道流场中激波诱导边界层分离现象可分为两类,一类为进气道内流场的典型三角分离现象,另一类为超额定工况中前体激波与唇口边界层干扰现象。本文以高超声速进气道不起动为背景,从理论建模分析、风洞试验及数值模拟三个方面对进气道流场中激波边界层干扰现象展开了研究。首先,对激波与充分/未充分发展的边界层干扰现象的干扰机制进行了探讨,分析了黏性干扰效应作用下的干扰流场结构,并对其进行了分类。I类干扰流场:前缘激波与入射激波相互干扰,分离点位于弱黏性干扰区;II类干扰流场:前缘激波与分离激波相互干扰,分离点位于弱黏性干扰区;III类干扰流场:入射激波与分离激波干扰过程中出现马赫杆结构;IV类干扰:平板前缘出现脱体激波。基于干扰流场结构特点,分别建立了激波与充分/非充分发展的边界层干扰流场简化分析模型。假设马赫杆波后平均流动方向与两侧滑移线角度和的一半,建立了完全马赫反射理论分析模型。其次,采用风洞试验的方法研究了层流分离流场向IV类干扰流场的转变过程,着重分析了激波无黏入射点位置、入射激波强度、尖楔尾部膨胀波等因素对干扰流场特性的影响。采用纳米粒子平面激光散射技术,获得了激波与充分/非充分发展的边界层干扰流场精细结构。采用高频压力装置,研究了分离泡流动的振荡特性。通过改变入射点位置、来流马赫数,证实了II类干扰与III类干扰相互转变过程中存在迟滞。再次,针对双入射激波条件下分离流场特性展开了研究。通过大涡数值模拟,研究了双激波激波条件下分离泡的融合与分离现象,获得了这两类干扰流场的瞬时流场结构,分析了分离与融合背后的内在物理机理。研究了第二道入射激波强度、第二道入射激波入射点位置对融合分离泡结构特性的影响。最后,选取某一构型高超声速进气道,研究了超额定工况下高超声速进气道不起动现象。通过改变飞行攻角,获得了超额定工况下进气道起动迟滞过程。基于融合分离泡的特点,提出了两类提高进气道起动性能的方案。
【学位单位】：国防科技大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：V211.48
【文章目录】：
中文摘要
English Abstract
第一章 绪论
    1.1 研究背景与意义
    1.2 激波/边界层干扰现象研究进展
        1.2.1 干扰流场研究
        1.2.2 时均干扰流场分析与建模
        1.2.3 干扰流场动态特性研究进展
    1.3 进气道起动问题研究进展
        1.3.1 进气道起动极限
        1.3.2 进气道起动影响因素
        1.3.3 改善进气道起动性能措施
    1.4 超额定工况下进气道研究进展
    1.5 研究现状小结
    1.6 本文主要研究内容
第二章 试验装置及数值方法
    2.1 超声速/高超声速自由射流风洞的设计与校测
        2.1.1 风洞系统整体方案
        2.1.2 风洞本体结构设计
        2.1.3 风洞加热系统及攻角系统
        2.1.4 风洞流场的校测
    2.2 其它风洞试验系统
        2.2.1 超声速静风洞
        2.2.2 Φ1m高超声速风洞
    2.3 流场观测系统
        2.3.1 高速纹影/阴影系统
        2.3.2 PIV/NPLS流场显示系统
        2.3.3 测压系统
    2.4 数值模拟方法
        2.4.1 瞬态可压缩N-S控制方程
        2.4.2 雷诺平均模拟
        2.4.3 大涡数值模拟
    2.5 本章小结
第三章 激波与平板边界层相互作用流场建模研究
    3.1 激波与平板边界层干扰机制分析
        3.1.1 激波入射结构无黏流场分析
        3.1.2 激波与充分发展平板边界层干扰机制分析
        3.1.3 激波与未充分发展平板边界层干扰机制分析
    3.2 激波与充分发展平板边界层干扰流场建模与分析
    3.3 激波与未充分发展平板边界层干扰流场建模与分析
        3.3.1 I类及II类干扰流场结构分析
        3.3.2 III类干扰流场结构分析
        3.3.3 IV类干扰流场结构分析
    3.4 完全马赫反射流场建模分析
        3.4.1 概述
        3.4.2 波系干扰结构
        3.4.3 马赫杆形状
        3.4.4 波后亚声速区域
        3.4.5 总体模型及其验证
    3.5 本章小结
第四章 激波与边界层干扰流场特性试验研究
    4.1 流场结构演化过程分析
        4.1.1 试验模型及工况
        4.1.2 II类干扰流场向IV类干扰流场转变过程
        4.1.3 层流分离流场向II类干扰流场转变过程
    4.2 干扰流场影响因素分析
        4.2.1 试验模型
        4.2.2 无黏入射点位置的影响
        4.2.3 入射激波强度的影响
        4.2.4 尖楔尾部膨胀波的影响
        4.2.5 其他影响因素
    4.3 干扰流场精细结构研究
        4.3.1 试验装置
        4.3.2 传统激波/边界层干扰流场精细结构
        4.3.3 I类及II类干扰流场精细结构
        4.3.4 III类干扰流场精细结构
        4.3.5 IV类干扰流场精细结构
    4.4 干扰流场振荡特性分析
        4.4.1 试验装置
        4.4.2 分离泡振荡特性
    4.5 干扰流场迟滞多解现象分析
        4.5.1 干扰流场临界工况分析
        4.5.2 改变入射点位置引起的迟滞过程
        4.5.3 改变来流马赫数引起的迟滞过程
    4.6 本章小结
第五章 双入射激波条件下分离流场特性研究
    5.1 双入射激波与平板前缘边界层干扰现象
    5.2 双入射激波条件下传统分离流场特性分析
        5.2.1 数值计算模型
        5.2.2 分离泡瞬时流场结构分析
        5.2.3 分离泡融合分离现象成因分析
    5.3 双入射激波诱导平板前缘边界层分离流场特性分析
        5.3.1 计算分析模型
        5.3.2 第二道入射激波强度对分离泡特性影响分析
        5.3.3 第二道入射激波入射点位置对分离泡特性影响分析
    5.4 本章小结
第六章 高超声速进气道不起动流场研究
    6.1 高超声速进气道物理模型及计算方法
    6.2 高超声速进气道超额定工况不起动现象
    6.3 高超声速进气道迟滞过程分析
        6.3.1 马赫6工况迟滞过程
        6.3.2 马赫7工况迟滞过程
        6.3.3 迟滞过程分析
    6.4 控制方案分析
        6.4.1 阻断下游逆压梯度前传
        6.4.2 减弱入射激波强度
    6.5 本章小结
第七章 结论与展望
致谢
参考文献
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本文编号：2854182