超声速压缩拐角流动机理及其流动分离控制的试验研究

发布时间：2017-09-03 04:23

  本文关键词：超声速压缩拐角流动机理及其流动分离控制的试验研究

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【摘要】：压缩拐角作为一种典型的气动外形,广泛存在于超声速飞行器的进气道、控制面等结构中,由压缩拐角引起的激波与边界层相互作用会对飞行器的流场结构、稳定性和安全性产生重要影响。对超声速压缩拐角流动的研究不仅是复杂湍流机理研究的重要内容,而且在飞行器气动外形设计和结构优化等工程领域也具有十分重要的意义。超声速压缩拐角流动具有明显非定常性和三维特性,这对试验研究提出了一定的挑战。本文采用试验研究的方法,在Ma=3.0的条件下从流动显示、结构特征定量分析和速度场结构以及流动分离控制等方面分别对上游边界层为层流、转捩流和湍流的超声速压缩拐角流动进行了深入研究。本文首先介绍了用于超声速压缩拐角流动试验研究的风洞和基于纳米示踪的平面激光散射技术(Nano-tracer Planar Laser Scattering)以及粒子图像速度场技术(Particle Image Velocimetry),对NPLS和PIV测试系统的工作原理进行了详细阐述,并分析了纳米示踪粒子的跟随性和测试系统的分辨率以及误差。本文采用NPLS技术分别对超声速层流、转捩流和湍流压缩拐角在不同坡面角度下的流动结构进行了研究,获得了压缩拐角的精细流动结构图像,研究了时间平均的流场结构特征和流动结构随时间的演化特性。当坡面角度为23°时,三种压缩拐角流动均没有出现流动分离现象。当坡面角度为25°时,层流压缩拐角出现了典型的流动分离,边界层的快速增长引起了一道诱导激波,流场中出现了发卡涡、压缩波和分离激波、再附激波等结构;转捩流压缩拐角出现了一定程度的流动分离,但分离区的长度明显较小,流场中没有出现边界层增长引起的诱导激波;湍流压缩拐角的边界层在整个流动过程中均表现为附着状态,并未出现流动分离。当坡面角度为28°时,层流压缩拐角边界层分离加剧,分离区的长度明显增加,流动分离区域的结构非常复杂;转捩流压缩拐角出现了典型的流动分离,分离区的长度有所增加,分离区的末端一系列压缩波汇聚形成再附激波;湍流压缩拐角也出现了流动分离,但分离区的长度较短,流动分离区域的结构也相对简单。基于高分辨率的NPLS图像,本文对超声速压缩拐角流动的结构特征进行了定量的分析,研究了边界层的间歇特性,计算了边界层拟序结构的大小和结构倾角以及边界层分形维数。本文对层流和转捩流压缩拐角上游边界层间歇因子的计算结果与Klebanoff对不可压边界层间歇因子的测量结果一致。在流动分离区域,受到逆压梯度的影响,其边界层间歇因子的分布与上游区域存在明显区别。通过空间相关性分析得到的边界层拟序结构均沿壁面法向逐渐减小,其中,转捩流压缩拐角的边界层拟序结构沿流向逐渐增大,湍流压缩拐角的边界层拟序结构沿流向先逐渐减小后逐渐增大。层流、转捩流和湍流压缩拐角的边界层拟序结构倾角均沿壁面法向逐渐增大。在层流压缩拐角中,边界层在不同发展阶段的分形维数存在明显差异,而在转捩流和湍流压缩拐角中,边界层分形维数沿流动方向的变化较小,并且基本不受坡面角度变化的影响。采用PIV技术分别测量了超声速层流、转捩流和湍流压缩拐角的速度场结构。当坡面角度为25°时,层流压缩拐角分离区中出现了明显的回流运动,剪切层结构逐步成型并稳定增长,x方向的速度分布表现为分层结构,y方向的速度分布体现了激波和流道压缩对流动的影响,分离区长度为L_(sep-lam1)=62.6mm;转捩流压缩拐角分离区中的回流运动范围较小,其剪切层较薄,x方向的速度分布表现为分层结构,y方向的速度分布呈现倾斜“V”形区域,分离区长度为L_(sep-tran1)=24.5mm;湍流压缩拐角的流场中没有出现分离,其剪切层较厚,存在剧烈的速度剪切。当坡面角度为28°时,层流压缩拐角分离区中的回流运动范围扩大,回流区内存在较大的速度梯度,y方向速度分布的倾斜“V”形区域范围有所扩大并向上游移动,分离区长度为L_(sep-lam2)=86.0mm;转捩流压缩拐角分离区中的回流运动更为显著,剪切层的厚度有所增加,x方向速度的分布延续了分层的结构,y方向速度的分布体现了激波和回流结构对流动的影响,分离区长度为L_(sep-tran2)=65.4mm;湍流压缩拐角流场中出现了边界层分离,但近壁区域回流运动的范围较小,x方向速度的分布表现为分层结构,y方向速度的分布体现了分离激波和流道压缩的影响,分离区长度为L_(sep-tur)=31.1mm。基于PIV测量的结果,本文对压缩拐角的速度场结构进行了POD(Proper Orthogonal Decomposition)分解,分析了速度场结构的主次特征。最后,采用微型涡流发生器分别对超声速层流和湍流压缩拐角的流动分离进行了控制研究,运用NPLS和PIV技术获得了在涡流发生器控制作用下的流动结构和速度场结构。试验结果表明:在上游边界层边界层状态分别为层流和湍流的条件下,涡流发生器的尾流结构均可以分为由反向旋涡组成的剪切层结构和具有间歇特性的大尺度拟序结构两个区域。25°层流压缩拐角分离区内部的低速区域范围减小,28°湍流压缩拐角流场中的分离激波波足向下游移动,分离区内回流运动的范围均明显减小。通过对速度场结构进行定量分析发现,涡流发生器的控制作用能有效减小层流和湍流压缩拐角流场中的分离区长度。
【关键词】：超声速流动 压缩拐角 边界层 流动分离 拟序结构 完备正交分解 流动控制 NPLS PIV
【学位授予单位】：国防科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V211.7
【目录】：

• 摘要15-17
• ABSTRACT17-20
• 第一章 引言20-37
• 1.1 研究背景及意义20-22
• 1.2 超声速压缩拐角流动及其控制的研究现状22-35
• 1.2.1 流动显示22-25
• 1.2.2 速度场结构25-26
• 1.2.3 压力、热流和摩阻系数26-27
• 1.2.4 边界层分离27-29
• 1.2.5 流动非定常性29-32
• 1.2.6 流动分离的控制32-35
• 1.3 本文的主要研究内容35-37
• 第二章 试验设备和测试系统37-47
• 2.1 概述37
• 2.2 马赫 3.0 超声速风洞37-39
• 2.3 NPLS测试系统39-44
• 2.3.1 NPLS系统组成和工作原理40-42
• 2.3.2 纳米示踪粒子的跟随性研究42-44
• 2.4 超声速PIV测试系统44-46
• 2.5 小结46-47
• 第三章 来流边界层为层流的超声速压缩拐角试验研究47-96
• 3.1 试验模型及其参数47-48
• 3.2 超声速层流压缩拐角的流动结构48-62
• 3.2.1 上游边界层和壁面压力分布48-51
• 3.2.2 超声速层流压缩拐角流场的空间特征51-59
• 3.2.3 流动结构的时间演化特性59-62
• 3.3 基于流动显示的结构特征定量分析62-77
• 3.3.1 边界层间歇性的研究63-67
• 3.3.2 拟序结构的空间相关性分析67-70
• 3.3.3 边界层分形维数的研究70-77
• 3.4 超声速层流压缩拐角流动的速度场结构77-93
• 3.4.1 25°层流压缩拐角速度场结构77-83
• 3.4.2 28°层流压缩拐角速度场结构83-89
• 3.4.3 速度场结构的POD分析89-93
• 3.5 小结93-96
• 第四章 来流边界层为转捩流的超声速压缩拐角试验研究96-141
• 4.1 试验模型及其参数96-97
• 4.2 超声速转捩流压缩拐角的流动结构97-109
• 4.2.1 上游边界层97-98
• 4.2.2 超声速转捩流压缩拐角流场的空间特征98-105
• 4.2.3 流动结构的时间演化特性105-109
• 4.3 基于流动显示的结构特征定量分析109-123
• 4.3.1 边界层间歇性的研究109-112
• 4.3.2 拟序结构的空间相关性分析112-117
• 4.3.3 边界层分形维数的研究117-123
• 4.4 超声速转捩流压缩拐角流动的速度场结构123-138
• 4.4.1 25°转捩流压缩拐角速度场结构123-129
• 4.4.2 28°转捩流压缩拐角速度场结构129-134
• 4.4.3 速度场结构的POD分析134-138
• 4.5 小结138-141
• 第五章 来流边界层为湍流的超声速压缩拐角试验研究141-180
• 5.1 试验模型及其参数141-142
• 5.2 超声速湍流压缩拐角的流动结构142-152
• 5.2.1 上游边界层142-143
• 5.2.2 超声速湍流压缩拐角流场的空间特征143-150
• 5.2.3 流动结构的时间演化特性150-152
• 5.3 基于流动显示的结构特征定量分析152-163
• 5.3.1 拟序结构的空间相关性分析153-157
• 5.3.2 边界层分形维数的研究157-163
• 5.4 超声速湍流压缩拐角流动的速度场结构163-178
• 5.4.1 25°湍流压缩拐角速度场结构163-168
• 5.4.2 28°湍流压缩拐角速度场结构168-173
• 5.4.3 速度场结构的POD分析173-178
• 5.5 小结178-180
• 第六章 超声速压缩拐角流动分离控制的试验研究180-192
• 6.1 微型涡流发生器180-181
• 6.2 Anderson微三角楔对超声速层流压缩拐角流动分离的控制研究181-186
• 6.2.1 Anderson微三角楔控制下的流场空间结构181-183
• 6.2.2 Anderson微三角楔控制下的速度场结构183-186
• 6.3 Anderson微三角楔对超声速湍流压缩拐角流动分离的控制研究186-191
• 6.3.1 Anderson微三角楔控制下的流场空间结构186-188
• 6.3.2 Anderson微三角楔控制下的速度场结构188-191
• 6.4 小结191-192
• 第七章 结论与展望192-196
• 7.1 本文研究工作总结192-195
• 7.2 展望195-196
• 致谢196-197
• 参考文献197-212
• 作者在学期间取得的学术成果212-213

【参考文献】

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1 黄真理;湍流的分形特征[J];力学进展;2000年04期

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本文编号：782847