若干典型高超声速激波干扰流动特性研究

摘要

在吸气式高超声速飞行器关键难题攻关中，前体进气道流动中激波-激波干扰带来的热、力载荷问题是需要予以关注的重要一环。激波干扰会产生复杂的流场波系结构，引起流动分离、再附、射流冲击等，造成流动非定常振荡，壁面局部区域压力和热流大幅升高，进而影响飞行器进气道的性能和结构的安全性。因此，研究激波干扰不仅对高超声速飞行器的降热和减阻设计有重要的工程指导意义，同时有助于对可压缩流动机理的认识。
　　本文针对高超声速进气道唇口位置可能出现的激波干扰问题，采用简化构型，以激波风洞为实验平台，结合数值模拟开展研究，考察了激波干扰的流场结构和干扰区域壁面热流、压力分布，讨论了构型几何参数及来流条件对流动特性的影响，着重分析了流动中的非定常振荡现象及高热流形成机理。主要的工作与取得的成果如下:
　　1、数值模拟了高超声速第Ⅳ类激波-激波干扰，分析了非定常振荡过程中扰动的传播及其对波系结构的影响，进-步认识了振荡机制，考察了粘性、入射激波强度、激波干扰点位置和钝头体外形对流动中的非定常振荡及壁面压力、热流分布的影响。结果表明:来流条件和钝头体外形不同，第Ⅳ类激波干扰可能出现非定常振荡，也可能呈现稳定状态;无粘特征在激波干扰流动中起主导作用;入射激波强度增大或钝头体外形变钝，热、力载荷有增大的趋势，Strouhal数则会减小，弓形激波的脱体距离是影响Strouhal数的主要因素;合理选择钝头体外形可望有效地降低激波干扰带来的脉动热、力载荷;降低来流马赫数，第Ⅳ类激波干扰的非定常振荡现象明显减弱。
　　2、研究了带凹腔钝头体第Ⅳ类激波干扰的流动特征，考察了迎风凹腔的引入对流动非定常振荡特性的影响。实验上，在激波风洞中采用高速纹影方法获得具有时间分辨率的流场照片，采用高频响压力传感器获得凹腔底部脉动压力信号。数值模拟结果与实验结果在流场结构和非定常振荡频率方面吻合较好。超声速射流与迎风凹腔的相互作用对激波振荡起到了关键作用:射流远离凹腔时，二者相互作用不明显，流动呈现较为稳定的干扰结构;射流冲击凹腔时，第Ⅳ类激波干扰呈现出两种明显不同的振荡模式—高频前后振荡模式和低频上下振荡模式。此外，三维效应对非定常振荡实验结果有着不可忽视的影响。
　　3、研究了高超声速三维内收缩式进气道V形钝化唇口位置的激波干扰。唇口简化为V形前缘构型，采用数值模拟为主的方法，结合激波风洞实验分析了激波干扰的流场结构和壁面热流分布，重点研究了V形前缘几何参数和来流条件的影响。结果表明:在流场结构方面，实验纹影和数值模拟结果吻合较好。激波干扰产生了复杂的波系结构，包括规则反射和马赫反射，并引起壁面热流升高，分布不均匀。根据波系结构与壁面作用类型，干扰可以归纳为三类:激波-壁面作用;超声速射流-壁面作用;剪切层-壁面作用。V形前缘激波干扰会带来严重的气动热、力载荷，一定条件下，热流峰值可达到驻点热流的二十几倍。激波干扰使得前缘热防护问题变得异常复杂，简单的增加钝化半径并不一定能够减小热载荷，相反很可能带来复杂的干扰流场，使得壁面热流反而升高。最后，初步探讨了V形前缘激波干扰流动的非定常特征，振荡主要由剪切层和射流的不稳定性引起。

目录

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摘要

表格索引

插图索引

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．2 国内外研究进展

1．3 本文主要研究内容

第2章 实验与数值计算方法

2．1 实验设备和测量技术

2．1．1 激波风洞

2．1．2 流动测量技术和数据采集系统

2．2 数值模拟方法

2．2．1 VAS2D计算程序

2．2．2 FLUENT商业软件

第3章 第Ⅳ类激波干扰流动特性及其影响因素

3．1 Edney六类激波干扰

3．2 数值方法验证

3．3 结果与讨论

3．3．1 数值格式和粘性的影响

3．3．2 第Ⅳ类激波干扰非定常流场结构

3．3．3 入射激波位置和强度的影响

3．3．4 钝头体外形对激波干扰的影响

3．3．5 自由来流条件对激波干扰的影响

3．4 本章小结

第4章 带凹腔钝头体第Ⅳ类激波干扰

4．1 实验和计算模型

4．2 结果与讨论

4．2．1 稳定干扰结果

4．2．2 高频前后振荡模式

4．2．3 低频上下振荡模式

4．2．4 三维效应对第Ⅳ类激波干扰的影响

4．3 本章小结

第5章 Ⅴ形钝化前缘激波干扰

5．1 实验模型和计算方法

5．1．1 实验设备及模型

5．1．2 计算概述与验证

5．2 结果与讨论

5．2．1 交叉位置倒圆半径R的影响

5．2．2 前缘钝化半径r对激波干扰的影响

5．2．3 来流马赫数M∞对激波干扰的影响

5．2．4 激波干扰流场的非定常性

5．3 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 本文结论

6．2 创新点

6．3 工作展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与其他的研究成果