基于后掠唇罩的入射激波/边界层干扰流动控制方法

针对高超声速进气道内强唇罩激波/边界层干扰带来的大尺度分离、流动损失大等问题,提出了基于后掠唇罩的入射激波/边界层干扰流动控制方法。在来流马赫数3、唇罩压缩角18°条件下,仿真对比了后掠/平直2类唇罩2种构型干扰区内的流动特性。结果表明：后掠唇罩入射激波/边界层干扰产生的分离包尺度沿展向呈现逐渐增加的趋势,利用三维后掠入射激波产生的自对称面往两侧的顺压梯度,驱动低能流往两侧迁移,可使得分离区流向尺度相对于平直唇罩构型最大可减小50.6%;在后掠唇罩干扰区内,压力分布呈现以分离线曲率中心为虚拟中心的椭圆相似特征。     

斜激波与内凹半圆柱面无粘相互作用

针对三维内转式进气道流动中激波入射内凹壁面主导的复杂波系干扰问题，采用斜激波入射内凹半圆柱面的简化构型，在来流马赫数为6的条件下，通过无粘数值模拟结合理论分析，研究了激波角βi=14°～29°的斜激波在内凹半圆柱面反射形成的三维流场。结果表明，流场对称面均会出现显著高于二维情况的逆压梯度。当βi≤25°时，从侧壁到对称面，斜激波经历了从马赫反射（MR）到规则反射（RR）的转变，形成了MR-RR型流场，转变点处产生的桥激波向对称面延伸，桥激波在对称面反射后产生的压力峰值高于二维斜激波反射；当βi≥25°时，斜激波在侧壁和对称面均发生马赫反射，形成了MR-MR型流场，两种马赫反射分界点处产生的桥激波向侧壁发展，侧壁气流在对称面相撞后产生的压力峰值高于正激波后的压力；当βi=25°时，流场存在MR-RR型和MR-MR型双解现象。通过降维分析理论，揭示了两类流场中转变点和分界点的形成机制，并厘清了桥激波的产生原因和初期演化特征。当βi≥18°时，无粘激波干扰所主导的侧壁气流加剧向对称面汇聚，并在对称面附近产生流向涡对。无粘分析获得的认识，有助于揭示内转式进气道中流动汇聚和流向涡对等现象的形成机...     

展向振荡对激波/湍流边界层干扰的影响

周期振荡作为一种有效的壁面流动控制手段受到广泛关注,而其对激波/湍流边界层干扰的影响目前鲜有研究。本文采用高精度直接数值模拟（DNS）方法对马赫数2.9、12°激波入射角、强振荡下的激波/湍流边界层干扰进行了系统研究。通过与无振荡工况的定量比较,揭示了展向强振荡对干扰区内复杂流动结构的影响规律及作用机制,如分离泡尺度、物面压力脉动非定常特性、物面剪切的非定常特性及统计特征等。研究发现：在展向强振荡作用下,分离点位置提前,间歇区长度增大;同时由于分离泡内强黏性耗散的影响,展向振荡的穿透高度约为分离泡高度的4%,因而对流动结构不会产生实质影响。但展向强振荡会对壁面附近流动造成显著影响,如强振荡诱导的壁面展向速度远大于流向速度,造成流向剪切与展向剪切之间夹角的概率密度函数峰值从0°偏移到80°~90°之间。物面压力及剪切本征正交分解分析表明,展向振荡会导致模态能量从低阶模态向高阶模态转移,降低低频运动的能量占比,增强再附后Görtler涡等壁面附近旋涡结构的强度。     

轴流压气机掠形前缘激波动力学效应的模型分析

借助三维激波曲面的一种分析模型,对于高负荷轴流压气机掠形转子叶片所能造就的前缘空间激波曲面,进行了构造特点和近波前波后流动参数分布的计算。着重讨论了前缘曲线的相对前掠和后掠对前缘激波后流动的影响,对于掠形叶片到底产生什么功效这个问题的一个方面,给出了一种模型化的细致分析。其中定量显示了存在着展向与周向掺混的激波掺混源这个设想的合理性。     

后掠压缩角激波边界层柱形干扰研究

本文给出了由后掠压缩角模型引起的激波和湍流边界层干扰的实验研究结果,着重提出了柱形干扰中的尺度特性。本实验中的马赫数为1.79,2.04和2.50,相应的雷诺数为2.42～2.47×10~7/米。模型后掠角的变化范围是0°到60°,流向压缩角的变化范围为0°到30°。实验结果表明,在本实验的马赫数范围内,干扰流动的上游影响区呈现柱形或锥形,如果考虑横流效应,柱形干扰区的上游影响尺度能和二维压缩角的上游影响尺度相关联。其相关关系仅受后掠角和来流马赫数的影响,而与压缩角大小无关。     

在激波边界层干扰中后掠柱形区的独立性原理研究

在后掠压缩角引起的三维激波边界层干扰中,柱形的上游影响区表现出准二维的流动特性。实验结果表明,在柱形区中通常的边界层独立性原理不再适用。但是,如果考虑由后掠引起的横流效应修正,柱形区中的上游影响距离的尺度和相应的二维干扰上游影响区尺度之间可以得到很好的相关关系。     

高马赫数来流条件下斜激波与流向涡对相互作用

针对斜激波入射流向涡对形成的复杂流动干扰现象,在来流马赫数6条件下,利用后掠斜坡式涡流发生器生成流向涡对,采用数值模拟结合激波风洞实验,研究了斜激波与流向涡对相互作用引起的激波变形和旋涡演变。结果表明,斜激波与流向涡对相互作用的剧烈程度大致分为强、中、弱三种。在强相互作用下,激波面向上游凸起的程度最剧烈,呈现类“T”字型特征,其对称面处接近于一道正激波,波后出现回流区和局部流动滞止,使得流向涡对发生破碎;在中等相互作用下,对称面处存在局部正激波,但没有出现回流区;在弱相互作用下,不再出现局部正激波。进一步地分析发现,斜激波与流向涡对相互作用产生的流向涡对破碎现象,不符合经典的激波作用下单个流向涡破碎理论的预测。采用流向涡对对称面处的气流参数,对经典的流向涡破碎理论进行修正后,能够预测本文流向涡对在斜激波作用下是否发生破碎。本文为掌握激波作用下流向涡对破碎现象的规律,提供了重要参考。     

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。     

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。     

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。     

前缘半径对两个尺度三级压缩楔流场结构影响研究

为研究前缘钝度及模型尺度对流场结构的影响,采用了长度为0.3 m和0.6 m的三级压缩楔模型,前缘半径分别为0,0.5,1,1.5,3 mm,在0.6 m激波风洞中利用高速阴影摄像获得了系列流场结构照片,清晰地显示了激波结构。试验条件为马赫数5.98,总温670 K,总压6.56MPa。数据结果表明,随着前缘半径的增加,第一道激波角增大,第二和第三道激波角减小;存在明显的模型尺度影响,在同等钝度条件下(尖前缘除外),两个尺度模型的第一道激波角相差迭0.4°,第二道和第三道激波角最大可相差0.5°。流场照片显示,在拐角处存在激波边界层干扰,造成第二、三道激波根部弯曲,随前缘半径增加,弯曲程度和影响区域增大。     

激波-边界层-分离流相互干扰三维湍流的数值模拟

本文采用数值方法求解时间相关三维可压缩雷诺平均Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程组,模拟激波—边界层—分离流相互干扰三维湍流流动。湍流模型为Ｂａｄｗｉｎ－Ｌｏｍａｘ两层代数模型,改进后用于三维内流问题。采用单元中心有限体积法离散流场控制方程,ＶａｎＬｅｅｒ矢通量格式计算无粘通量,中心差分法计算粘性通量,ＬＵＳＧＳ时间推进格式计算定常流场。本文以二元跨音速扩压器内三流动为算例,数值模拟较强激波—边界层—分离流相互干扰维湍流流动,并与实验结果进行了比较。数值模拟结果,在激波强度、分离点位置和再附点位置等方面,与实验结果吻合较好。     

二元流场强激波与紊流附面层干扰下的气流动态畸变控制实验研究

本文在一定的附面层条件下,研究了二元收-扩通道内强激波 M_(U.B.m)为1.68～1.74下的激波与壁面紊流附面层干扰区内的气流动态畸变控制技术,包括抽气缝槽结构,缝槽位置等对干扰区下游动态畸变的影响,并对通道扩张段出口气流的紊流度分布剖面上典型站的总压信号作功率谱密度、概率密度和压力时间历程作了分析.实验的结果表明,通过对干扰区内激波诱导分离流抽吸,在抽气量为W_(bT)/W_m=2.8～3.5%下,可以很有效地改善干扰区下游气流的动态畸变.     

二元进气道非均匀超音来流试验研究

介绍一种二元进气道模型在非均匀超音来流中的初步研究结果。试验在DLR小型超音风洞上进行。为造成非均匀来流条件,试验中将部分或全部试验段顶壁附面层引入进气道模型。结果表明,进气斜板产生的头激波与来流附面层相互作用的性状在不同的附面层隔道下变化极大。随隔道高度增加,激波附面层相互作用距离L起初亦增加,当全部附面层被排移后,L大幅度下降。与均匀来流试验结果相比较,当来流顶壁附面层全部被进气道吞入时,该进气道总压恢复σ及质量流率m分别降低18％及15％(M_∞=2.19),同时出口面总压畸变大幅度增加。文章分析了原因及对进气道性能影响的强度。     

Passage shock wave/boundary layer interaction control for transonic compressors using bumps

Flow separation due to shock wave/boundary layer interaction is dominated in blade passage with supersonic relative incoming flow, which always accompanies aerodynamic performance penalties. A loss reduction method for smearing the passage shock foot via Shock Control Bump(SCB) located on transonic compressor rotor blade suction side is implemented to shrink the region of boundary layer separation. The curved windward section of SCB with constant adverse pressure gradient is constructed ahead of...     

High-speed unsteady flows past two-body configurations

This paper presents a detailed investigation of unsteady supersonic flows around a typical two-body configuration, which consists of a capsule and a canopy. The cases with different trailing distances between the capsule and canopy are simulated. The objective of this study is to examine the detailed effects of trailing distance on the flow fields and analyze the flow physics of the different flow modes around the parachute-like two-body model. The computational results show unsteady pulsating flow fields in the small trailing distance cases and are in reasonable agreement with the experimental data. As the trailing distance increases, this unsteady flow mode takes different forms along with the wake/shock and shock/shock interactions, and then gradually fades away and transits to oscillate mode, which is very different from the former. As the trailing distance keeps increasing, only the capsule wake/canopy shock interaction is present in the flow field around the two-body model, which reveals that the unsteady capsule shock/canopy shock interaction is a key mechanism for the pulsation mode.     

Review of theoretical achievements for starting flow problem for all Mach numbers

The typical behavior of unsteady flow and force evolution in a number of applications, such as aero-elastics, gust-wing interaction, flapping flight and flight maneuvering, can be understood using the starting flow model. Starting flow model is obtained either by setting rapidly an angle of attack for a wing moving at constant speed, or by accelerating a wing to a constant speed while gaining an angle of attack. In the limiting case of impulsively starting flow, the wing is assumed to gain suddenly an angle of attack in an initially uniform flow. Theories have been developed for impulsively starting flow at small angle of attack long before and at large angle of attack only recently, especially for incompressible and supersonic flow. This paper intends to provide a state-of-art overview of the typical flow phenomena, force evolution characteristics and developed theories for impulsively starting flow at any angle of attack and for both lower speed flow (vortex dominated) and high speed flow (compressible wave dominated). This review also provides some new topics that deserve further studies.     

强激波-附面层干扰下的气流动态畸变研究

本文在一定附面层条件下,着重研究典型的强激波与紊流附面层干扰区下游扩压器出口的气流动态畸变,文中讨论了激波强度、扩压器壁面形状(直壁和曲壁)对动态畸变的影响.讨论了紊流度分布中四个峰值与相同截面上的总压沿高度分布的相互关系.最后对紊流度沿高度分布中的若干典型站的总压信号作功率谱密度和概率密度函数分析     

A self-similar solution of a curved shock wave and its time-dependent force variation for a starting flat plate airfoil in supersonic flow

The problem of aeroelasticity and maneuvering of command surface and gust wing interaction involves a starting flow period which can be seen as the flow of an airfoil attaining suddenly an angle of attack. In the linear or nonlinear case, compressive Mach or shock waves are generated on the windward side and expansive Mach or rarefaction waves are generated on the leeward side. On each side, these waves are composed of an oblique steady state wave, a vertically-moving one-dimensional unsteady wave, and a secondary wave resulting from the interaction between the steady and unsteady ones. An analytical solution in the secondary wave has been obtained by Heaslet and Lomax in the linear case, and this linear solution has been borrowed to give an approximate solution by Bai and Wu for the nonlinear case. The structure of the secondary shock wave and the appearance of various force stages are two issues not yet considered in previous studies and has been studied in the present paper. A self-similar solution is obtained for the secondary shock wave, and the reason to have an initial force plateau as observed numerically is identified. Moreover, six theoretical characteristic time scales for pressure load variation are determined which explain the slope changes of the time-dependent force curve.     

二元高超声速进气道激波振荡特性实验

通过在进气道/隔离段模型出口附近设置固定的堵塞楔块提高反压,并采用高速纹影拍摄同步壁面压强测量的手段,在马赫数5.9的激波风洞中研究了二元高超声速进气道在不同堵塞度下的流动特征。研究结果表明,在较低的堵塞度下,进气道仍然能够保持起动状态,而在较高的堵塞度下,进气道出现激波振荡。上游产生的压缩波/激波在节流段的反射是出现激波振荡的重要原因之一。随着堵塞度的增加,激波振荡的频率有所升高。