展向宽度对激波入射平板反射类型的影响

激波干扰是高超声速飞行器气动布局和超燃冲压发动机设计中需重点考虑的局部干扰现象,当该现象发生时会产生复杂的波系结构,对流场行为特征产生影响,进而对飞行器物面载荷及发动机性能产生显著影响。采用数值计算方法针对斜激波入射平板问题,在固定来流马赫数5、单位雷诺数7.12×10⁶ m^-1不变的条件下,通过改变上下平板展向宽度研究了6个不同状态下的激波反射类型。结果表明在受限空间内必须考虑侧向溢流对激波反射类型的影响。随平板展向宽度增加,激波反射类型从正则反射逐渐过渡至马赫反射,且马赫杆长度变长并逐渐前移,直至导致内流道堵塞形成脱体激波。采用激波极曲线方法在激波入射角度固定的条件下对两种激波干扰类型的产生机制进行了分析,发现随激波强度增加两束透射激波极曲线上移缩小,进而造成波后流场参数匹配需求,激波反射类型逐渐从正则反射向马赫反射转变,得到了与数值计算结果一致的结论。     

V形前缘对激波入射边界层流动影响的数值模拟与分析

为指导V形溢流唇口下游的进气道内部流动分析，采用数值模拟开展V形尖前缘对二维斜激波入射平板边界层流动的影响研究。以气流偏转角6°的二元楔面为基准激波发生器，设计了展向气流收缩角α(0°~60°, 0°对应二元构型)的V形前缘构型，开展对比研究。结果表明，V形前缘构型使得激波入射位置沿展向不均匀、流动具有明显三维特征，并且干扰区壁面压强上升、分离区尺度明显增大。在α=0°~60°范围内，干扰区流动的不均匀程度、分离区尺度随α增大单调增加。进一步分析表明，V形前缘构型干扰具有中间平直、侧边斜掠的耦合入射特性，体现为对称面壁面压强符合自由干扰理论，侧边斜掠入射区参数符合斜掠干扰的锥形流特征。对比二元与α=45°构型的无粘模拟结果，V形前缘会诱导展向两侧对称的斜掠激波、并在对称面相互干扰产生平直的“桥”激波，这使得激波入射位置沿展向不均匀并偏向下游。其中对称面处平直入射激波压升比(2.49)高于二元构型结果(2.24)，侧边斜掠激波强度与二元构型基本一致。这些因素综合导致V形前缘构型的分离尺度增大。     

三维内转式进气道双激波基准流场的设计方法

探索了一种三维内转式进气道基准流场的设计新思路,基准流场由特征线方法设计的曲面压缩系统组成,包含一道入射激波和一道末端激波,消除了激波在内通道的连续反射。通过数值模拟对该设计思路进行了验证,结果表明:该双激波轴对称基准流场,前缘激波和末端激波入射位置与设计吻合,末端激波入射在肩点且完全实现消波;特征线计算获取的外壁面马赫数分布和CFD结果吻合较好;经过设计,在喉部截面上流动参数比较均匀,总压恢复系数达到0.91;无粘条件下流线追踪进气道完全继承了基准流场的流动特征,流量捕获系数0.999,喉道总压恢复0.88,与同设计条件流线追踪Busemann进气道相当。     

唇罩内型面对内转式进气道流动特性影响研究

内转式进气道流场参数分布不均,为改善进气道的流场结构、提高其气动性能,采用数值仿真方法开展了唇罩内型面对内转式进气道流动特性影响的研究。研究结果表明:唇罩内型面影响唇罩激波强度、形态与内流道波系结构,进而影响唇罩激波与侧壁边界层干扰诱发的三维流向涡的产生、发展以及空间分布;在研究范围内,随着唇罩压缩角减小,唇罩激波减弱,内转式进气道流场参数周向分布更加均匀,出口总压恢复系数先增大后减小,抗反压能力不断增强,最高增大了12.7%。     

高超声速内转式进气道型面流场重构

内转式进气道流场参数分布不均，为改善该类进气道的气动性能，本文采用数值仿真方法开展了基于型面的内转式进气道流场重构研究。结果表明：流场重构型面中心线对进气道流场结构及流动特性影响较大，在给定偏距/长度与中心线末端斜率的约束条件下，选取合适的中心线起始角能够大幅提高进气道的气动性能，改善流场参数分布。与进气道原型方案相比，流场重构型面中心线10°起始角的进气道方案总压恢复系数、抗反压能力最大分别提升33.7%、26.4%，自起动马赫数下降1.1。随着流场重构型面中心线起始角增大，唇罩激波/侧壁边界层干扰诱发的流向涡减弱、流向涡传输轨迹向唇罩一侧偏移，低能流向唇罩两侧迁移趋势增强。在研究范围内，随着流场重构型面中心线起始角增大，隔离段出口总压恢复系数先增大后减小，自起动马赫数先下降后不变。     

准定常强激波马赫反射波形的数值研究

应用DCD频散控制激波捕捉格式,求解二维、多组分、带有化学反应的Euler方程组,数值模拟了准定常强激波的马赫反射问题.研究结果表明:与经典马赫反射理论相比,在强激波条件下,激波诱导的气体分子振动激发和化学反应使马赫反射的三波点轨迹角变小、马赫杆高度变低、楔顶附体激波倾角变小;马赫杆的相对突出量随入射激波马赫数和楔角的增大而增大,而气体分子的振动、离解等真实气体效应能进一步加剧马赫杆的向前突出.     

设计参数及附面层修正对“咽”式进气道性能的影响

为了研究不同的平面斜激波流场对流线追踪"咽"式进气道性能的影响规律,寻求性能最佳的进气道,对设计马赫数为7,具有不同三维基本流场的流线追踪"咽"式进气道进行了数值模拟。研究表明:选择8-7无粘流场(即俯仰平面内的斜激波由和自由来流呈8°夹角的斜压缩面产生;偏航平面内的斜激波由和自由来流呈7°夹角的斜压缩面产生)作为基本流场设计出的流线追踪进气道压缩性能、总压恢复性能及起动性能均能满足设计要求,并有较高的捕获流量;另外,通过对其进行附面层修正,设计状态下的各性能参数都较接近无粘设计参数,并且大幅度提高了进气道的流场均匀性。     

一种超声速进气道侧壁面流场控制研究

为改善二元超声速进气道前体激波与侧壁面边界层干扰问题,提出了一种在侧壁开泄流气缝的流场控制方法并进行了数值仿真验证,然后研究了侧壁面开缝的宽度、位置、角度等典型几何参数对进气道性能的影响规律。结果表明:设计马赫数下侧壁开缝使进气道唇口角区处的溢流明显减小,进气道内通道进口流场得到改善,进气道流量系数提高2.27%,喉道截面总压恢复系数提高3.37%;在非设计状态下,进气道性能也有一定的改善。典型几何参数研究结果表明,当侧壁开缝位置位于前体斜激波位置(L=-1.4～-0.21)、开缝宽度为0.85～1.10倍当地边界层厚度时,对进气道性能的改善效果最佳,而开缝的角度影响并不明显。     

乘波前体三维内转进气道气动融合设计

在传统三维内乘波进气道设计方法的基础上,发展了一种具有乘波压缩特征的前体三维内转进气道气动融合设计方法。通过构造合适的双波入射基本流场,结合斜激波理论,可以推导出一种上游二维乘波流动叠加下游三维内收缩流动的基准流场。在此流场基础上进行流线追踪与气动融合设计,获得了一种乘波前体加三维内转进气道的气动布局方案。对该进气道方案数值模拟研究结果表明:在Ma6.0的设计状态下,该方案流量捕获系数能够达到0.96,总压恢复系数为0.53;而在Ma4.0的非设计状态,该方案流量捕获系数能够达到0.71,总压恢复系数为0.70。此外,与典型的前体二维混压进气道进行对比研究,乘波前体三维内转进气道方案总体性能提升明显,尤其是进气道流量捕获系数在设计状态下较二维方案上升了4.1%。     

平面激波绕30°出峰后的绕射与反射

本文针对一平面激波S绕过坡角为30°的山峰后与地面作用所产生的波系图案等问题,通过激波管光测模型实验手段进行了分析和研究。实验是在入射激波马赫数Μ_i=1.18,1.32,1.74,2.00和2.29等五种条件下进行的。实验结果表明,在入射激波S和反射激波R之间出现了一接触面C,并与Skews关于平面激波绕凸角壁面时所得到的结果做了比较。与此同时,从我们所拍摄的纹影流场照片上可以看出,平面激波S绕过30°山峰后与地面作用所产生的反射波均属于马赫反射的范围。     

超声速三维进气道内激波干扰的研究

为了为三维进气道的设计提供有用的分析数据,对高超声速和超声速来流下三维进气道内激波干扰进行了理论和数值研究。进气道模型选取"箱式"以及三面侧压进气道作为研究对象。理论分析采用了"空间降维"方法,即将进气道各个角落处的三维双楔定常激波干扰问题转换为二维非定常激波干扰问题,并利用激波动力学对其进行求解。数值验证方法利用2阶NND差分格式求解三维无粘欧拉方程,网格数量为1200多万,并采用MPI并行进行计算。该理论分析方法很好地对进气道各个角落处的激波干扰波系结构进行了判别,并得到了干扰区马赫构型三波点附近以及规则构型反射点附近的解析解,理论分析结果与数值模拟结果吻合较好。此外,针对进气道截面内各个流场区域的总压恢复系数以及压力、密度和温度进行了研究,并考虑了箱式进气道和三面侧壁压缩进气道内的流场区域的非均匀性,干扰区马赫杆后的总压损失要比其他区域高10%左右。通过研究表明,"空间降维"方法适用于进气道压缩部分,将为进气道的设计和性能评估提供一种理论分析手段。     

考虑粘性时激波反射及壁面热流计算

本文采用显式ＴＶＤ格式，求解薄层Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程，计算了激波与楔面相互干扰的流场情况，得出了马赫反射的各种等强度级及固壁上详细的物理分布，根据计算得出的流场，计算了壁面摩擦阻力及热流分布。     

圆形出口内转式进气道流动特征

采用数值仿真的方法研究了内转式进气道的流动特征。研究表明:设计状态在近壁面唇罩激波诱发了二次流,进而发展形成流向涡,造成低能流堆积,隔离段出口流场分布不均,消弱了进气道的抗反压能力。有攻角条件下,口面激波偏离唇罩前缘,激波形态发生改变,激波波面中部展向具有准二维特性,压缩面两侧气流压缩变弱,激波层变薄,出现局部膨胀区;有攻角条件下的无黏流场,在进气道压缩段形成三维流向涡,该流向涡促进高能高速气流向壁面迁移,改善了黏性条件下隔离段出口流场的均匀度。     

弯曲后掠压缩拐角激波/湍流边界层干扰特性研究

为研究内转式进气道前体压缩激波与机体边界层之间的弯曲后掠压缩拐角激波/湍流边界层干扰现象,对矩形捕获型线、直母线圆锥基准流场生成的内转式进气道压缩型面进行简化,并利用数值仿真方法对简化模型进行计算,分析并对比了非耦合和耦合情况下弯曲后掠压缩拐角激波/湍流边界层干扰特性。结果表明：非耦合模型所形成的分离区呈弯刀形,分离区的最大值位于靠近侧壁面处（y=-0.19H）,（H为矩形捕获型线的高度）,且此种变后掠角干扰不再符合锥形相似特性;耦合情况下所形成的分离区呈对称月牙状,分离区最大值位置为对称面位置（y=0）,低能流在进气道中心位置堆积;与非耦合相比,耦合会使得分离区最大值增大51%,进气道出口边界层厚度增大;同时也发现该耦合效应的影响范围是有限的,在压缩拐角前缘靠近侧壁面（|y|>0.6H）的流动区间内,基本不受耦合效应的影响。     

激光脉冲能量作用下隔离段激波形态及发展控制的数值研究

为了寻求有效的流动控制方法来降低隔离段总压损失，本文基于非定常雷诺平均的Navier-Stokes方程，探究激光脉冲能量沉积对二维及三维隔离段流场马赫反射的控制效果。在来流马赫数分别为1.61和2.51的隔离段流场马赫反射上游，加入脉冲能量沉积，对比激励流场与基础流场，结果表明：能量沉积主要通过高温热核和其诱导的压力波两种方式对马赫反射结构施加作用，显著地影响了马赫反射结构，促使Ma∞ =1.61来流工况下马赫杆的高度减小，马赫反射强度减弱；Ma∞ =2.51来流工况下的马赫反射结构转变为稳定的正规反射，减小了总压损失。控制过程包括：(1)能量沉积产生的局部高温降低当地马赫数，减小马赫反射强度；(2)高温热核诱导的弓形波与马赫反射相互作用，马赫反射结构变形；(3)以反压形式影响马赫反射。     

振动激发对激波反射的影响

定常激波反射分为规则反射和马赫反射,在不同条件下2种反射结构之间会相互转变。高超声速流动中的激波反射问题常面临高温气体效应,随着温度逐渐升高,最先出现的是空气分子振动激发。通过理论分析和定量计算,研究了振动激发对激波反射及其转变规律的影响。首先给出考虑振动激发的空气热力学模型,并分析其与量热完全气体的差异以及对激波关系的影响;接着分析在规则反射和马赫反射中,振动激发对激波反射流场的影响规律;最后讨论振动激发对激波反射转变2个准则点的影响。研究结果表明,振动激发使激波极线的整体轮廓变大,且这种差异在经过一次激波反射之后被明显放大,会对激波反射的流场产生重大影响;对于激波反射的转变,振动激发使转变的2个准则点都变大,且对规则反射向马赫反射转变的脱体准则影响更大。     

拉瓦尔喷管外发生激波反射工况详细分析

平面拉瓦尔喷管的环境压力与入口总压的比值从设计工况到第三极限工况(管口处为正激波)逐渐增大时,喷管外的激波现象不同.根据已知的激波反射理论,将设计工况到第三极限工况间的工作状况进一步细分为强斜激波工况、马赫反射工况、双解区和正规反射工况、并将由气流偏转角所表示的发生正规反射和马赫反射的条件用环境压力与总压的比值来表示,找出了强、弱斜激波的环境压力与总压比值的临界值,得到这些临界值随着喷管面积比的变化趋势.最后针对面积比为5的平面拉瓦尔喷管,由理论分析得到其管外发生正规反射、马赫反射、强斜激波反射时对应的压比分别为:0.0841,0.0959和0.2005,并用数值模拟来验证理论分析的正确性.      

来流参数对混合管道流场结构的影响

为了探究来流参数对混合管道流场结构的影响,通过试验和数值计算方法研究了在不同马赫数、静压来流参数条件下的背景流场和激波串流场结构。试验采用高速纹影和压力测量设备分别进行流场的观察和测量,采用喷管支板结构将来流分为上侧二次流、一次流和下侧二次流。试验与数值结果均表明,背景流场中的背景波系、混合层均由支板后缘处产生,背景波系在壁面间反射并与混合层发生干扰作用,背景流场结构较为复杂。一、二次流的静压关系影响混合层的初始发展方向,导致θ从-9°～7°变化,而马赫数决定起始激波与混合层的夹角。依据前缘激波的反射类型、亚声速区面积等特征,混合管道的激波串流场可以分为规则反射型、临界反射型、正向马赫反射型和反向马赫反射型四种典型结构。临界反射型的波后流场在垂直流动方向上具有"亚-超-亚-超"间隔流动的特点。     

超额定状态下二元超声速进气道的流动特性

为了揭示超额定工作状态下超声速进气道内的复杂流动机理，对一设计马赫数为2.0的二元超声速进气道开展了数值模拟研究，获得了其在不同来流马赫数状态、不同节流状态下的流场结构.结果表明:当进气道工作在额定状态时，随着节流程度的增加，其激波串的核心区由偏向下壁面摆至偏向上壁面；而在超额定状态下，由于依次受到唇罩内侧分离包、唇罩激波等的影响，激波串核心区则由偏向上壁面转而摆至偏向下壁面.在来流马赫数为2.5的节流状态下，其唇罩激波与前体斜激波相交形成了马赫杆等复杂波系结构，而来流马赫数为3.0状态却并未形成此类现象.在上述两种超额定工作状态下，前体斜激波的上透射激波均在高反压条件下演化为正激波形态，而唇罩激波的下透射激波形态也发生了明显的改变.      

反射及绕射冲击波的生物效应研究

采用生物激波管内放置挡板，探讨弱冲击波的反射有绕射作用对生物效应的影响。结果表明反射激波超压明显增强，约为入射激波超压的３倍，并可引起动物肺和胃肠道损伤；绕射激波的一次激波超压明显降低，约为入射激波的１／３，二次激波与距挡板的距离有关，当距离为挡板高度的１／４和２倍时，超压低于入射激波，距离为挡板高度的１／２和１倍时，超压稍高于入射微波，提示该处激波有叠加现象，实验运行均未见明显内脏器官损伤。本研