斜激波与弓形激波相互作用的彩虹纹影实验研究

斜激波与弓形激波相互作用形成的波系结构可以分为六类,其中IV型激波干扰产生了超声速"喷流",产生了极高的热载和压载。基于彩虹纹影显示技术,实验获得了六类激波干扰彩虹纹影照片,分析了各类激波干扰的波系结构。通过数值计算,获得了有无斜激波干扰的条件下,壁面附近温度与压强的分布,讨论了IV型激波干扰产生极高热载和压载的原因。研究表明,激波干扰发生以后,钝头体表明压载与热载急剧增加,尤其是IV型激波干扰,形成的超声速"喷流"射向钝头体壁面的超声速射流,会导致峰值压力剧烈升高,其数量相当于来流静压的近40倍,驻点附近的热流升高将近8倍。     

径向入射激波聚焦实验和数值模拟研究

为得到不同入射激波马赫数对凹腔内径向入射激波聚焦过程的影响,对马赫数为1.25和2.18的径向入射激波在实验段内反射聚焦的过程进行了实验和数值模拟研究。用高速CCD拍摄了凹腔中气流流场的纹影图片,并采用保持强稳定性的龙格—库塔格式、加权基本无振荡算法和块结构动态自适应网格加密对激波反射聚焦的过程进行了数值模拟,实验和数值模拟结果吻合较好。复杂的激波形状及其之间的相互作用(如激波反射,激波聚焦和不同激波的相互作用)在实验和数值模拟中都能很好地观测到。通过比较不同马赫数入射激波的反射聚焦过程,发现较高的马赫数下聚焦后能产生射流,而较低的马赫数下却没有。同时发现,入射激波马赫数能影响二次激波出现的位置和强度,进而影响聚焦过程流场的紊乱程度。     

高重频激光控制IV型激波干扰方法研究

在实验和数值分析IV型激波干扰特性及其对飞行器表面压力和热流影响的基础上,提出采用脉冲激光能量控制IV型激波干扰的方法,以降低飞行器波阻、驻点压力和热流。采用实验和数值方法,研究了100m J单脉冲激光能量与马赫5.0条件下IV型激波干扰的相互作用过程,揭示了单脉冲激光能量控制IV型激波干扰的机理。数值研究了频率为150k Hz的激光能量注入后,激光空气锥的形成及其与IV型激波干扰的相互作用过程,得到了钝头体表面压力、热流和波阻的演化过程。结果表明,沉积高重频的激光沉积方式可以利用相对较少的激光能量形成比较稳定的准静态波结构,进而利用准静态波与IV型激波干扰的相互作用将高能区脱离钝头体表面。在马赫数为5.0的流场中沉积频率为150k Hz、单脉冲能量为5m J的激光能量可使峰值压力、热流和波阻分别降低40%,33%和23%。     

激波聚焦引燃可燃混合气体的实验研究

在94mm×94mm方截面激波管上,入射激波马赫数为1 60～1 95内开展了汽油/空气可燃混合气体在激波聚焦方式下的点火实验。当汽油/空气混合比处于化学恰当比附近,激波马赫数为1 69～1 95的激波聚焦能够成功地引燃汽油/空气的可燃混合气体,而当入射激波马赫数低于1 69时,同样条件下的汽油/空气混合气体不能被点燃。流场的纹影照片显示,与未燃状态相比,汽油/空气可燃混合气体被引燃后的反射激波波面变宽。     

脉冲激光能量降低高超声速波阻机理研究

高超声速飞行器面临较高的波阻问题。为揭示基于脉冲激光能量沉积的减阻机理,并为激光减阻新方法提供科学指导依据,在马赫数为5.0的高超声速激波风洞内开展了单脉冲激光与弓形激波相互作用过程的实验研究。结合数值模拟结果,揭示了单脉冲激光的减阻机理。通过数值模拟研究了高重频激光与弓形激波相互作用的减阻机理。结果表明:在脉冲激光引致的激波与弓形激波相互作用的特定时刻,钝头体表面附近形成了低压低密度通道,这是钝头体阻力降低的原因。高重频激光引致的激波串可在高超声速流场中追赶合并形成锥形的准静态波,准静态波与弓形激波相互作用增大了弓形激波的脱体距离,弓形激波后压力和温度重新分布,形成相对稳定的流场结构,减阻率达到19%。     

动态彩色纹影流动显示

对动态彩色纹影技术作了深入细致的阐述，并把此项技术广泛于超音速流场中捕捉激波等试验研究中，提供了一些实际应用的典型的流场彩色纹影照片，为波理论研究提供了重要的实验图像。     

运动激波和旋涡相互作用的实验观察

本文介绍了平面运动激波和单个旋涡二维相互作用的实验。实验在方截面激波管中进行，实验中拍摄了激波和旋涡相互作用全过程的纹影照片，实验结果发现，运动激波通过涡核时发生激烈变形并在波后流场中产生圆柱形声波。     

激光能量沉积降低钝头体驻点压力机制分析

针对高超声速飞行器表面驻点压力较高的问题,在马赫数5的来流条件下,分别采用单脉冲和高重频激光能量注入的方式控制弓形激波。将数值模拟结果与高时空分辨率纹影照片以及驻点压力测量结果相对比,分析了单脉冲激光能量与高超声速流场弓形激波的相互作用过程,结果表明透镜效应是激光能量沉积降低钝头体驻点压力的原因。单脉冲激光能量产生的低压区不能维持,降低驻点压力效率低,因此高重频是更有效的激光能量注入方式。优化了频率为80kHz、功率为自由流焓流6.6%的激光能量沉积位置,计算结果表明当沉积位置与钝头体表面的距离等于钝头体直径的1.5倍时,驻点压力降低了40%。在优化位置提高沉积能量大小至36.9%,可将驻点压力和热流分别降低83.3%和56.9%。     

超声速细长梯形翼背风面流型

给出了前缘后掠角65°，双弧形剖面的细长梯形翼背风面流动显示结果。实验马赫数为1．10、1．53、2．53、3．01和4．01，攻角范围5°～25°。借助于蒸汽屏、纹影和油流技术拍摄了脱体和表面流型照片。蒸汽屏显示表明：在机翼背风面三角形区域的脱体流型可在垂直于前缘的法向攻角和法向马赫数构成的坐标平面上，区分出七种不同的流型；在切尖区域，有侧缘分离涡形成，后缘拖出尾涡。从摄取的纹影照片与横截面上的蒸汽屏照片一起，可获得机翼弓形激波位置随马赫数变化，以及激波－诱导分离线位置随马赫数和攻角变化曲线。在机翼上表面通过油流显示出主再附线、二次分离线、二次再附线和侧缘涡区。显示出的流型与其它有关实验和数值计算结果比较，符合得很好。     

射流马赫数对圆弧形凹面腔内激波聚焦过程的影响

为研究射流马赫数对连续超声速射流对撞流场演化及激波聚焦过程的影响,保持入射导流深度L=0.00mm不变,通过更换不同的Laval喷管,对马赫数分别为Ma=1.2,1.4,1.6和1.8时的实验工况凹面腔内反射聚焦过程进行了实验研究,用高速CCD(Charge coupled device)拍摄了圆弧形凹面腔中气流流场纹影照片,并用动态压力传感器测量了聚焦过程中流场的压力变化,对径向入射激波在凹面腔内的反射聚焦过程进行了描述。通过对比不同射流马赫数下激波反射聚焦过程,发现在低马赫数1.2时,表现出较强的激波完全聚焦特性,即前导激波碰撞形成反射激波,并反射聚焦形成三波点,从而在凹腔底部形成高温高压区触发爆震,前导激波完全聚焦过程在凹面腔内流场演化中占据主导地位。随着马赫数的增加,完全聚焦强度降低,在流场中的主导优势逐渐减弱;其激波聚焦频率受射流马赫数的影响较小,频率差值较小,基本保持一致。     

Interaction of single-pulse laser energy with bow shock in hypersonic flow

Pressure sensing and schlieren imaging with high resolution and sensitivity are applied to the study of the interaction of single-pulse laser energy with bow shock at Mach 5. An Nd:YAG laser operated at 1.06 lm, 100 mJ pulse energy is used to break down the hypersonic flow in a shock tunnel. Three-dimensional Navier–Stokes equations are solved with an upwind scheme to simulate the interaction. The pressure at the stagnation point on the blunt body is measured and calculated to examine the pressure variation during the interaction. Schlieren imaging is used in conjunction with the calculated density gradients to examine the process of the interaction. The results show that the experimental pressure at the stagnation point on the blunt body and schlieren imaging fit well with the simulation. The pressure at the stagnation point on the blunt body will increase when the transmission shock approaches the blunt body and decrease with the formation of the rarefied wave. Bow shock is deformed during the interaction. Quasi-stationary waves are formed by high rate laser energy deposition to control the bow shock. The pressure and temperature at the stagnation point on the blunt body and the wave drag are reduced to 50%, 75% and 81% respectively according to the simulation. Schlieren imaging has provided important information for the investigation of the mechanism of the interaction.     

高超飞行器内流道激波振荡问题的数值研究及试验验证

采用数值模拟和风洞试验的方法,对吸气式高超声速飞行器盲腔状态的流动特性进行了研究。采用＂双时间步＂方法进行了内外流一体化的非定常数值模拟,利用彩色纹影系统对高超声速飞行器前体流场进行显示,并采用动态压力传感器测得了飞行器内流道的壁面压力随时间的变化。结果表明：盲腔构型在高超声速飞行中会出现周期性的激波振荡现象。数值模拟所得流场变化特征、内流道壁面压力振荡周期和壁面压力变化趋势与试验结果吻合良好。     

激波风洞边界层转捩测量技术及应用

高超声速边界层转捩对摩阻、传热等有重要影响。在高超声速飞行器研制中，迫切希望能精确预测和控制边界层转捩。激波风洞作为高超声速气动热环境试验的主要地面模拟设备，是研究高超声速边界层转捩的重要设备。但激波风洞原有测量技术适用于工程型号试验，需要依据高超声速边界层转捩特点进行适应性改造和升级。依据高超声速边界层转捩过程中的热流、压力、密度等物理参数变化，发展了薄膜热流传感器测热技术、温敏热图测量技术、高频脉动压力测量技术、高清晰度纹影显示技术等适用于激波风洞的边界层转捩测量技术。并针对头部钝度0.05 mm的半锥角7°尖锥模型，在中国空气动力研究与发展中心Ø2 m激波风洞（FD-14A）马赫数10、单位雷诺数1.2×10⁷/m的流场条件下开展了边界层转捩试验。采用多种转捩测量技术同时进行测量，获得尖锥模型表面边界层转捩情况、边界层脉动压力频谱特征、边界层内清晰的第2模态波和湍流斑纹影图像，不同测量技术获取的试验结果可相互印证，线性稳定性理论分析结果与试验结果相吻合。     

超音速细长梯形翼背风面流型

给出了前缘后掠６５°、双弧形剖面的细长梯形翼背风面流动显示结果。实验Ｍａｃｈ数为１．１０,１．５３,２．５３,３．０１和４．０１,攻角范围为５°～２５°。应用蒸汽屏、纹影和油流技术拍摄了空间和表面流型照片。蒸汽屏显示表明：在机翼背风面三角形区域的空间流型随法向攻角αＮ（在垂直于前缘的平面内流速与弦线间的夹角）和法向Ｍａｃｈ数ＭａＮ（来流Ｍａｃｈ数在垂直于前缘平面内的分量）变化,并可在αＮ和ＭａＮ为坐标的平面上划分出７种流型存在的区域。侧缘区有侧缘分离涡形成;后缘有尾涡拖出。从纹影照片与横截面上的蒸汽屏照片对照可获得机翼锥面激波位置随Ｍａｃｈ数的变化;以及激波－诱导分离线位置随Ｍａｃｈ数和攻角变化曲线。机翼表面油流谱显示出了主再附线、二次分离线、二次再附线和侧缘涡区。显示出的流型与其他有关实验和数值计算结果比较符合得很好     

马赫数4二维直管内拟似冲击波实验和数值研究

通过计算流体力学数值仿真和高速彩色纹影照片显示技术对马赫数4拟似冲击波进行研究。实验是在日本室兰工业大学的压力—真空型超声速风洞中进行的。数值计算是采用三阶精度的QUICK格式和Spalart-Allmaras湍流模型进行的。用实验验证CFD模型,计算结果与实验显示出较好的一致性。可以得出结论,从目前的CFD模型获得的计算结果是精确的。因而,实验很难获得的拟似冲击波流场内部一些流动量可以通过数值仿真结果进行分析。另外,推测了马赫数4拟似冲击波非对称的原因。     

爆轰波-激波迎面作用后的稳定波系

本文为对当量比乙炔氧气混合气体中爆轰波与激波正面对撞产生稳定波系的实验和理论研究.实验主要以高速扫描摄影获取两波对撞的x-t纹影图,一维理论分析则基于三种热完全的组分求解两波对撞的稳定解并探寻它们的规律.实验发现透射波系包括一道激波和爆轰波,以及紧随爆轰波后的稀疏波区,这种波系情况与一维理论分析中CJ解一致.透射CJ爆轰与人射爆轰相比马赫数降低,而相对波前来流的传播速度有轻微提高,但在实验室坐标下其速度显著降低.透射波系受初始压强影响不大;初始温度提高使得爆轰波速度降低,而透射激波速度增加;对波系起实质影响作用的是入射激波强度,激波越强,则整个透射流场呈现偏向激波的趋势;理论分析还指出,稀疏波区的出现不可避免,当激波强度趋于声波时稀疏波区趋于消失,激波越强则疏波区趋于扩大.     

钝缘舵高超音速湍流分离特性

给出由半圆柱前缘舵诱导的高超音速湍流分离的实验结果。实验气流Ｍａｃｈ数为７．８,单位长度Ｒｅ数为３．５×１０７ｍ－１。结果表明：钝缘舵诱导的湍流分离极不稳定,分离激波出现大尺度低频振荡,使壁面压力和热流率无量纲标准偏差在主分离线附近达最大值。Ｍａｃｈ数愈高,最大无量纲标准偏差值越大。在前缘区前缘直径是控制分离流场尺度和平均壁面压力、热流率分布的主要参数     

基于LES方法的平板非定常激波/湍流边界层干扰研究

以高超声速发动机进气道湍流分离控制为应用背景,采用大涡模拟(LES)方法进行马赫数为3.0(唇口附近马赫数约为3.0)的激波/湍流边界层干扰(SWTBLI)流场机理研究.利用扰动循环引入的方法,先得到充分发展湍流场,然后根据斜激波关系式引入激波的方法进行激波/湍流干扰模拟.研究结果显示:充分发展湍流场在激波作用下产生逆...     

轴向入射激波反射聚焦的实验和数值模拟

为研究两级脉冲爆震发动机凹腔入口宽度对第2级凹腔中激波聚焦过程的影响，设计轴向入射激波聚焦的实验系统，对不同入口宽度下激波反射聚焦的过程进行了实验和数值模拟。采用纹影系统拍摄凹腔中的流场结构，并测量了凹腔顶点处的动态压力。采用保持强稳定性（SSP）的Runge Kutta格式、weighed essential non oscillation（WENO)格式和块结构网格自适应加密（SAMR）算法对激波反射、衍射和聚焦的过程进行了数值模拟，数值模拟结果和实验吻合较好。通过分析比较相同马赫数激波通过不同宽度凹腔的反射聚焦过程，发现较小宽度凹腔入口下激波反射和聚焦较强，顶点的压力峰值较高，激波聚焦诱导的射流较强。      

楔—后掠柱激波干扰流场和热流的工程算法

本文针对航天飞机机翼前缘的简化模型,即楔-后掠柱模型,在大后掠、高超声速条件下,提供了一种计算柱体前缘激波干扰流场和热流的工程计算方法。在中国科技大学流体力学实验室的激波风洞中取得了激波干扰的流场显示结果。计算的结果与国内外实验数据的比较表明,这是一种有效的方法。