边界层抽吸和脉动反压作用下隔离段内流动特性研究

为了解上游边界层抽吸控制和下游周期脉动反压作用下隔离段内流动特性,采用非定常数值模拟和理论分析相结合的方法,对来流Ma=2情况下的隔离段内激波串动态演化特性、激波串形态结构变化以及激波串演化迟滞现象进行了研究。结果表明,在脉动反压和边界层抽吸作用下,激波串在上游抽吸狭缝与下游隔离段出口之间周期振荡,振荡频率与脉动反压一致。在振荡过程中,首道激波串形态在规则反射与马赫反射以及马赫反射与弧形激波(包含正激波)之间相互转换。边界层抽吸将激波串固定在抽吸狭缝位置,有效提高了隔离段抗反压性能,脉动频率越大,可承受的瞬态反压峰值越大。在一个振荡周期内,激波串向上移动速度较向下移动更快,且在上下移动过程中形态变化存在迟滞现象。     

凹腔前缘角对超声速燃烧室性能的影响

针对带有不同前缘角的凹腔内流动和燃烧过程,分别在冷态和燃烧条件下探讨了前缘角对凹腔内流动损失及阻力特性的影响.研究表明:在壁面垂直喷射的喷口上游和凹腔内部均会形成低速、高温回流区,有利于点火及火焰稳定,燃烧反压通过边界层的亚声速区域上传,形成激波/边界层干扰结构.减小前缘角,可使剪切层分离位置提前,更偏向凹腔内部,导致凹腔后壁面再附激波增强,进而增大了总压损失,降低了总压恢复系数;亦可导致凹腔前、后壁面压差阻力增大,阻力系数上升.进一步认识了凹腔内部流场及稳焰增混机理,进而为优化凹腔结构设计提供依据.      

Experimental investigation of boundary layer transition over a delta wing at Mach number 6

An experimental study on the boundary layer transition over a delta wing was carried out at Mach number 6 in a quiet wind tunnel. The Nano-tracer-based Planar Laser Scattering (NPLS) and Temperature-Sensitive Paints (TSP) techniques were used to measure the fine flow field structure and the wall Stanton number of the delta wing. The influence of factors such as the angle of attack and the Reynolds number was studied. The following results were obtained. The boundary layer transition between the leading edge and the centerline was dominated by the crossflow instability. At the location of the initial appearance of the traveling crossflow waves, the Stanton number began to rise. The Stanton number reached a maximum when the crossflow waves were broken up to turbulence. Increasing the angle of attack increased the spanwise pressure gradient at the windward side of the delta wing, thereby increasing the crossflow instability and advancing the boundary layer transition front. However, increasing the angle of attack caused the transition front to move backward at the leeward side. In addition, the sensitivity of the boundary layer transition to the Reynolds number varied with the angle of attack and the region.     

考虑附面层影响的二元混压式进气道设计

采用等激波强度的方法,考虑附面层修正,设计了一种飞行马赫数Ma=3.0的二元混压式进气道.通过数值仿真,模拟了激波-边界层的相互影响,研究了附面层抽吸对内流场的影响,获得了进气道内部复杂的流场分布,以及不同背压下进气道的起动特性.计算表明所设计的进气道性能较好,附面层抽吸对稳定正激波有明显的作用,提高了进气道抗反压能力.给出的方法可用于二元混压式进气道的初步设计和验证.      

高超声速钝头体边界层转捩试验

为研究高超声钝头体边界层转捩以及头部钝度对转捩的影响,在FD-14和FD-14A两座激波风洞中开展了热流、压力扰动和高速纹影显示等综合测量。试验结果表明,转捩雷诺数关于钝度雷诺数的变化显示出转捩反转的趋势。压力扰动的功率谱密度（PSD）分析结果以流向离散分布云图形式显示,边界层高速纹影图像显示了第二模态波的发展、湍流的生成和熵层对边界层结构的显著影响。大头部钝度带来的强熵梯度熵层流动对边界层压力扰动频谱特性和流动结构影响显著,在转捩反转机理中起到重要作用。此外,马赫数对转捩的影响不容忽视。     

高超声速双模块内转式进气道的流动特性研究-Part I： 设计状态

本文通过特征线法设计了基于多道激波+等熵压缩波的基准流场,在此基础上通过流线追踪法设计了双模块内转式进气道。通过数值仿真和风洞试验相结合的方法,获得了内转式进气道的内外流特性。研究结果表明：在内转进气道最大半径对应的角区位置存在大量的边界层堆积,受第二道激波/边界层干扰,在激波根部卷起锥形旋涡;在内转式进气道内部,唇罩激波和管道边界层干扰显著,管道内存在自唇罩指向压缩面的强周向压力梯度,从而诱导管道内边界层均往一处汇聚,卷起大尺度流向涡。仿真和试验结果表明在来流马赫数5.74,攻角0度状态下,进气道气动性能优良,出口总压恢复系数系数达到0.58,最大抗反压为112倍。     

Shock wave configurations and reflection hysteresis outside a planar Laval nozzle

When the pressure ratio increases from the perfectly expanded condition to the third limited condition in which a normal shock is located on the exit plane, shock wave configurations outside the nozzle can be further assorted as no shock wave on the perfectly expanded condition, weak oblique shock reflection in the regular reflection(RR) pressure ratio condition, shock reflection hysteresis in the dual-solution domain of pressure ratio condition, Mach disk configurations in the Mach reflection(MR) pressure ratio condition, the strong oblique shock wave configurations in the corresponding condition, and a normal shock forms on the exit plane in the third limited condition. Every critical pressure ratio, especially under regular reflection and Mach reflection pressure ratio conditions, is deduced in the paper according to shock wave reflection theory. A hysteresis phenomenon is also theoretically possible in the dual-solution domain. For a planar Laval nozzle with the cross-section area ratio being 5, different critical pressure ratios are counted in these conditions, and numerical simulations are made to demonstrate these various shock wave configurations outside the nozzle. Theoretical analysis and numerical simulations are made to get a more detailed understanding about the shock wave structures outside a Laval nozzle and the RRMMR transition in the dual-solution domain.     

喷射角对超声速燃烧室掺混和燃烧的影响

针对壁面喷射方式,分别在冷态喷流和燃烧工况下探讨了喷射角的变化对超声速流场中的燃料掺混效果及燃烧效率的影响。研究表明:采用带角度喷射能明显减弱壁面垂直喷射导致的强激波,减小激波/边界层干扰带来的总压损失,在燃料掺混特性方面,减小喷射角会降低近场穿透距离,减弱近场的掺混效果,而对中场的穿透深度及掺混效果影响不大,但带角度喷射的远场的穿透深度及掺混不如垂直喷射。所以垂直喷射时,虽然更多的燃料和空气发生掺混,燃烧效率要高于带角度喷射的,但会以牺牲很大的总压为代价,所以在工程中建议采用带角度喷射配合其他喷射方式。     

高超声速进气道隔离段反压的前传模式及最大工作反压

对均匀来流和有斜波入射(非均匀)情况下隔离段内流动进行了数值分析,发现反压增加首先在隔离段出口形成激波串,出口压力不断增加,而隔离段内流动没有变化;进一步增加反压,直到隔离段出口附面层开始分离时,激波串开始往隔离段内移动,壁面压力自激波串第一道激波位置开始逐渐增加;反压继续增加,激波串在隔离段内不断地向前移动。分析了隔离段内激波串的流动特征,发现激波串是由系列“斜激波 附面层分离 加速降压”流动组合而成,激波串后的流动为掺混流动(掺混区)。提出了最大工作反压的概念,当反压等于最大工作反压时,激波串位于隔离段出口,波后附面层开始分离,反压的任何增加,激波串就会往隔离段内移动;当反压小于或等于最大工作反压时,隔离段出口为超声速流动。研究还发现最大工作反压比由零反压时隔离段出口平均马赫数唯一确定,马赫数越大,最大工作反压比越大。最大工作反压比数值可用D.E.Nestler的拟合式来计算。     

Design method with controllable velocity direction at throat for inward-turning inlets

In the design of a hypersonic inward-turning inlet by applying the traditional basic flowfield, a reflected shock-wave is formed in the isolator due to the continuous reflection of the cowlreflected shock wave in the basic flow-field, which interacts with the boundary layer to produce a considerable influence on the performance of the inlet. Here, a basic flow-field design method that can control the velocity direction at the throat section is developed, and numerical simulations are conducted to demonstrate the effectiveness of this method. The method presented in this paper can achieve the absorption of the reflected waves at the shoulder of the basic flow-field by adjusting the variation law of the center radius in the basic flow-field, and a smooth transition between the compression surface and the isolator can also be produced. The Mach number and total pressure recovery coefficient of the inlet designed according to this method are 3.00 and 0.657, respectively, at design point(the incoming flow Mach number Ma1= 6.0). The results show that with this method, the inlet can efficiently weaken both the reflection of the shock wave and the interaction between the boundary layer and the reflected shock waves, which improves the aerodynamic performance of the inlet.     

高超声速流动中噪声与湍流度的关系

在不可压缩流动中，湍流度对流动失稳与转捩的影响机制有很多研究成果，已发展了一些依据其大小预测流动转捩的模型应用于工程设计。但在高速可压缩流动中，湍流度很难测量，给该速域的流动转捩预测建模带来困难。近年来的研究表明，高速流场（马赫数≥3）中的噪声是影响流动转捩提前与推迟，甚至决定转捩途径的关键因素。但流场噪声与湍流度对流场的激励机制有没有内在联系，或流场噪声与湍流度理论上是否存在相互关联，迄今仍缺少理论分析结果。由于可压缩流场中噪声的测量相对容易，因此探讨流场噪声与湍流度之间的定量关系具有重要的理论意义和实用价值。讨论了Euler系统中各类双曲波特性，重点分析了流场声波中脉动压力与脉动速度的本质联系，从理论上得到了声压级与声致湍流度的关系。同时，为了对影响湍流度的因素有更全面的认识，导出了非声扰动与非声致湍流度的关系。为建立高速流动转捩预测模型和探讨天地一致性问题，奠定了一定的研究基础。     

横流不稳定性转捩预测模型

由于Langtry和Menter提出的γ-Re_θt边界层转捩模型只能预测流向的边界层转捩现象,因此继续改进该转捩模型使其具有横流不稳定性转捩的预测能力显得非常必要。通过对经典Falkner-Skan-Cooke (FSC)三维边界层相似解的理论分析和数值求解,结合Thwaites压力梯度因子与当地后掠角构建的函数关系来求解复杂构型的当地Hartree压力梯度因子β_H以及形状因子H₁₂,采用由试验数据标定的C1准则关系式获得横流转捩位移厚度雷诺数,从而建立能够对复杂构型进行横流不稳定性转捩预测的转捩判据。应用所建模型对30°前缘后掠角的ONERA-M6机翼和变前缘后掠角的DLR-F5机翼以及标准6:1椭球标模进行了横流不稳定转捩数值模拟,计算结果显示转捩位置均与试验数据吻合较好,证明了该模型的合理性和实用性。     

用CSCM格式模拟二维收缩管道内的流动

 采用Lombard等人提出的CSCM(Conservative Supra-Characteristics Method)差分方法数值模拟二维收缩管道内波系干扰及激波边界层干扰等问题。所得结果同已往计算结果进行了比较。通过压力场和速度场的计算结果可看到Ma数对流场的影响。在Ma数较小时激波角较大,可看到激波经两次相交一次反射逐渐变弱的情况。Re数改变对流场也有明显影响,且给出由于激波干扰引起边界层分离的计算结果。最后还给出收缩管道内激波由正激波逐步形成斜激波的非定常过程。     

壁温比对圆截面隔离段激波串的影响研究

为明晰壁温比对圆截面隔离段激波串的影响,采用RANS方法对圆截面隔离段进行三维数值计算,发现冷壁条件下,壁温比升高将导致隔离段抗反压能力减弱。在此基础上,通过理论分析研究了壁温比对边界层的影响,发现边界层主要通过剪切应力和亚声速流层携带的流体惯性的综合作用来抵抗反压,其中剪切应力与压升作用一致,而亚声速流层携带的流体惯性与压升作用相反。考虑壁温比影响,对经典Waltrup激波串预测公式进行修正,修正后公式可以动态反映壁温比变化导致的激波串长度改变,有助于隔离段优化设计。     

超声速膨胀角入射激波/湍流边界层干扰直接数值模拟

为了揭示膨胀效应对激波/湍流边界层干扰区内复杂流动现象的影响规律,采用直接数值模拟方法对来流马赫数2.9、30°激波角的入射激波与10°膨胀角湍流边界层相互作用问题进行了数值研究。系统地探讨了激波入射点分别位于膨胀角上游、膨胀角角点和膨胀角下游3种工况下膨胀角干扰区内若干基本流动现象,如分离泡、物面压力脉动及激波非定常运动、湍流边界层统计特性和相干结构动力学过程等。结果表明,激波入射点流向位置改变对分离区流向和法向尺度的影响显著,尤其是当激波入射点位于角点及其下游区域。研究发现,膨胀角干扰区内物面压力脉动强度急剧减小,分离区内压力波向下游传播速度将降低而在膨胀区内将升高,膨胀效应极大地抑制了分离激波的低频振荡运动。相较于入射激波与平板湍流边界层干扰,入射激波流向位置改变对膨胀角再附区速度剖面对数区及尾迹区影响显著,将导致其内层结构参数升高而外层降低,近壁区内将呈现远离一组元湍流状态的趋势。此外,流向速度脉动场本征正交分解分析指出,主模态空间结构集中在分离激波及剪切层根部附近而高阶模态以边界层内小尺度正负交替脉动结构为主。低阶重构流场结果表明,前者对应为分离泡低频膨胀/收缩过程而后者表征为分离泡高频脉动。     

斜激波总压损失率极小值理论解与物理意义

以法向马赫数作为激波强度表征量,对斜激波关系式进行重新推导,得到了穿过激波总压损失率极小值的理论解。控制方程表达式为激波角对物面角的线性函数。依据斜激波总压损失率极小值解析公式,首先,绘制了针对超声速流总压损失率应用的楔形角-激波角-马赫数的斜激波效率图。其次,通过生成斜激波三维总压损失率等值线图,呈现了总压损失率在楔形角-激波角-特征马赫数空间上的分布规律。此外,利用斜激波效率图,揭示了等总压损失率条件下马赫数与激波角的对称双解现象。     

乘波前体两侧高超声速内收缩进气道一体化设计

为了探索两侧进气系统的流场结构及气动性能,采用吻切锥乘波前体、压升规律可控的一种高超声速内收缩进气道设计了两侧进气布局的高超声速飞行器一体化进气系统,并进行了数值模拟,研究了进气系统的流场结构、速度特性、攻角特性以及侧滑角特性等。结果表明,设计点前体外流场和进气道内流场相互独立,接力点前体前缘激波和进气道前缘激波相互耦合。由于未吞入前体附面层,因而进气道内激波附面层相互作用较弱,没有产生分离;随来流马赫数增大,进气道总压恢复系数减小,增压比增大显著,升阻比几乎不变;随攻角增大,流量系数增大明显,总压恢复系数略有减小,增压比增大明显,升阻比逐渐增大;随侧滑角增大,进气道总体性能逐渐减小,迎风侧进气道性能下降较小,背风侧进气道性能下降明显。     

后掠翼边界层横流不稳定转捩预测模型

通过对经典Falkner-Skan-Cooke三维边界层相似解的理论分析和数值求解,结合二维边界层转捩判据的思想,采用由试验数据标定的C1准则关系式求解横流不稳定转捩位移厚度雷诺数,建立了针对固定前缘后掠角机翼的横流转捩判据,并且通过方程求解和数据拟合得到了该转捩判据的数学结果.应用该模型对30°前缘后掠角的ONERA-M6机翼和45°前缘后掠角的NLF(2)-0415无限展长机翼进行了横流不稳定转捩数值模拟.模拟结果显示:改进后的转捩模型预测所得到的转捩位置精度较高,均与后掠翼横流试验数据吻合较好,从而证明了构建的横流不稳定转捩判据的合理性和实用性.      

膨胀效应对激波/湍流边界层干扰的影响

采用直接数值模拟方法对来流马赫数2.9,30°激波角的入射激波与膨胀角湍流边界层干扰问题进行了数值研究。入射激波在壁面上的名义入射点固定在膨胀角角点,膨胀角角度分别取为0°、2°、5°和10°。通过改变膨胀角角度,考察了膨胀效应对干扰区内复杂流动现象的影响规律和作用机制,如分离泡、物面压力脉动特性、膨胀区湍流边界层和物面剪切应力脉动场等。研究发现,膨胀角角度的增大使得分离区流向长度和法向高度急剧降低,尤其是在强膨胀效应下分离泡形态呈现整体往下游偏移的双峰结构。物面压力脉动功率谱结果表明,膨胀角为2°和5°时,分离激波的非定常运动仍表征为大尺度低频振荡,而膨胀角为10°,强膨胀效应极大地抑制了分离激波的低频振荡,加速了下游再附边界层物面压力脉动的恢复过程。膨胀区湍流边界层雷诺剪切应力各象限事件贡献和出现概率呈现逐步恢复到上游湍流边界层的趋势,Görtler-like流向涡结构展向和法向尺度变化剧烈,同时在近壁区将诱导生成大量小尺度流向涡。此外,物面剪切应力脉动场的本征正交分解分析指出,膨胀效应的影响体现在低阶模态能量的急剧降低从而使得高阶模态的总体贡献相对升高。     

过膨胀单边膨胀喷管试验和数值模拟

在低落压比4~10下,对高速二维单边膨胀喷管模型试验件的壁面静压分布进行了试验研究,模拟气体为高压空气;用三维数值计算得到了喷管性能参数,丰富了流场信息。试验和数值模拟结果表明,处于深度过膨胀状态下的单边膨胀喷管内部出现了自由激波、分离激波、两种激波相交及相互影响、自由激波分离和激波诱导分离等复杂现象;上膨胀面大面积的气流分离而形成的低压区使喷管轴向推力系数Cfa仅为0.78~0.87;此外,推力矢量角pδ为18°~25°,这对飞行器的配平和控制面操作带来一定的困难。