基于大涡模拟的压缩拐角激波/边界层干扰研究

为了提高对激波/边界层相互干扰的基本理解,采用大涡模拟(LES)对来流马赫数Ma=2.9,转角为24°的压缩拐角激波与湍流边界层相互干扰进行了研究。采用回收/调节方法作为入口湍流生成技术,并在超声速平板湍流边界层上进行了验证。采用涡识别方法和数值纹影图等流动显示方法,研究了干扰区内激波与边界层相互干扰的结构变化特征。通过对比分析湍动能和雷诺正应力在不同流向位置的分布规律,研究表明:经过激波干扰后湍动能主要集中在边界层的外层,并在拐角附近形成一个低湍动能区;雷诺正应力流向分量和法向分量在边界层内的分布呈现为单峰结构,而展向分量呈现为双峰结构。运用间歇因子对分离激波的大尺度流向运动进行研究,发现激波围绕着平均分离点作前后运动,运动的尺度等于进口湍流边界层厚度的72%。证实了拐角下游G?rtler流向涡对的存在,并对其展向分布和空间演化特性进行了详细研究。     

进气道内激波/边界层干扰及控制研究进展

进气道作为高速航空航天飞行器的重要气动部件,对飞行器的气动力特性、结构重量、隐身性能等有显著影响。激波/边界层干扰现象是高速进气道内普遍存在的一类流动现象,对进气道的性能有突出的影响。发生于进气道内的激波/边界层干扰现象主要可分为正激波/边界层干扰、斜激波/边界层干扰以及三维激波/边界层干扰几类,由于受到侧壁壁面和进气道内背景波系的影响,这些干扰现象偏离了传统基于简化模型的研究结果,具有显著的耦合干扰特征,干扰区间内三维特征明显。概述了发生于进气道内的激波/边界层干扰特性及相关研究进展,并对目前进气道内激波/边界层干扰现象的控制方法进行了总结。     

高超声速激波风洞中的油流技术和分离流的初步研究

油流技术在常规风洞中的应用已很广泛,但是,在诸如激波风洞等脉冲型设备中却几乎见不到它。流动分离足空气动力学中最重要的研究课题之一。本文介绍了高超声速激波风洞中油流技术和圆柱前紊流边界层分离的初步研究结果。试验是在0.6米激波风洞中进行的。喷管出口的自由流条件是:M=7.94,Re/L=2.79×10~7(1/米)。风洞试验时间约7毫秒。对试验结果作了讨论,并与国外结果作了比较。     

后掠激波边界层干扰的有利影响

本文分析和对比了正激波和后掠激波/边界层干扰的机理,并用几个典型的算例说明了其差别.本文的结果指出,由于后掠的压力梯度方向垂直于激波,并且边界层内速度存在平行于激波的横向分量,会导致边界层内的速度分布形成空间"扭曲",可以阻止部分边界层进入激波后,并使穿过激波的部分边界层气流形成向两侧发散的趋势.这证明利用后掠激波/边界层干扰效应控制边界层是可行的.这也是实现近年来国内外兴起的"无隔道进气道"的关键机理之一.     

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。     

基于HIFiRE-2 超燃发动机内流道的激波边界层干扰分析

为了研究高超声速流激波边界层干扰特性， 选取HIFiRE-2 （The Hypersonic International Flight Research Experimentation 2）项目的高超声速流道为研究对象，采用k-棕SST 模型在无燃油工况下模拟计算地面试验过程，所得计算结果 与试验结果接近。在此基础上，分析激波边界层干扰过程、流动分离现象及入口马赫数对气动热影响。结果表明：随着入口马赫数增 大，激波角变小，激波强度提高，在尾喷管中激波反射次数减少；随着入口速度增大，边界层分离区范围变小，回流区的位置逐渐向 下游移动；加入气动耗散项后，流场的温度有一定升高，最大温升约为50 K。     

一种修正的Osher通量在高阶WCNS中的特性

将一种基于多维修正的Osher通量运用于高阶加权紧致非线性格式(WCNS)中,该修正通量主要在垂直于激波面的界面上增加耗散,能够改善Osher通量的激波捕捉稳定性,同时对边界层和接触间断的分辨率影响非常小。对修正的Osher通量在高阶WCNS中的特性进行研究,通过数值模拟测试了基于Osher通量的WCNS的激波稳定性、热流预测精度、边界层模拟能力、激波边界层干扰模拟能力,并与Steger-Warming通量和Roe通量进行了对比。结果表明修正后的Osher通量比Harten修正的Roe通量具有更好的激波捕捉鲁棒性,而边界层、驻点热流值和激波边界层干扰的模拟则明显优于Steger-Warming通量。上述结果说明了基于修正的Osher通量的高阶WCNS具有较好的激波捕捉特性、热流预测精度和边界层计算能力。     

TSTO并联分离激波/边界层干扰流动特性分析

针对两级入轨飞行器的缩比模型，通过试验与数值模拟相结合的方式，在马赫数6条件下开展典型级间距状态的激波/边界层干扰流场研究，详细分析干扰区壁面及空间的流动结构与特性。结果表明：试验中模型壁面边界层在激波入射之前为层流状态，在强激波干扰后迅速转捩为湍流状态，因此试验结果在第一道激波作用结束之前与层流计算结果吻合，而在第一道激波作用结束之后与湍流计算结果一致；激波/边界层干扰呈现复杂的三维流动特征和明显的开放结构，强激波在壁面形成的高压区呈弧状向下游展开，轨道级头部产生的入射激波在级间来回反射，强度依次递减；同时，干扰区内存在展向弯曲的主分离线与再附线、沿流向排列的二次分离线与再附线、流动剪切形成的旋涡结构以及包括鞍点、结点、焦点在内的临界点；层流边界层受到激波作用形成的分离区明显大于湍流边界层，同时开放特征更为显著。     

射流涡发生器对激波边界层作用诱导的流体分离控制大涡模拟研究

为了研究射流涡发生器对激波边界层作用所诱导的流动分离控制机理及其流场特性,基于大涡模拟(Large eddy simulation)方法和高阶TCD/WENO混合格式,对来流马赫数Ma=2.5情况下,平板上射流涡发生器对激波与边界层相互作用所诱导流场进行了数值模拟。结果表明,射流涡发生器对激波边界层的流体分离有一定的抑制作用,与无控制情况相比,射流作用下进出口总压恢复系数由85.9%提高到94.6%。射流尾涡主要集中于一环状区域内,在该区域内,入射激波与马蹄涡、桶形激波上方的涡管以及剪切涡相互作用,导致整体尾流被激波往下压缩。同时在激波的压缩下,各涡之间相互缠绕、挤压合并,形成多个流向小涡结构,将边界层外的高速流体卷入边界层内,从而增加边界层底层能量,达到抑制流动分离的目的。     

非定常同向激波边界层干扰的实验和数值模拟

运动激波在波前同向气流中传播时与壁面附近力界层发生的相互作用，既不同于定常的激波边界层干扰，也与普通激波管中端壁波与边界层的作用有很大差异。通过实验和数值模拟对这一问题进行研究表明，激波与边界层作用后，波面在壁面附近发生了明显弯曲，且触及壁面；弯曲的激波与壁面进一步作用后发生反射，由于波前气流速度不同，这种反射存在规则反射和马赫反射两种类型；由于激波反射，波后壁面附近形成了一个高压区；激波与边界层     

自由流单位Re数对边界层转捩的影响

利用激波管实验原理和实验技术,在截面为94 ×94mm~2的激波管实验段中,测量了自由流单位Re数单一变化时壁面边界层转捩Re数的变化规律。为此研制了一种可直接显示边界层从层流向湍流过渡全过程的热电模拟网络。根据大量测量结果,并以自由流单位Re数为自变量,整理出预测平板边界层转捩Re数的经验公式。     

熵层对高超声速二维钝楔气动参数的影响

采用薄激波层理论和流管质量守恒相结合的方法,分析了高超声速二维钝楔边界层外缘熵的分布规律,研究了熵层对边界层外缘密度、马赫数以及壁面气动加热等气动参数的影响.结果表明:边界层外缘熵在倒圆-肩部区下降最为剧烈,熵层对气动参数的影响在高超声速下不可忽略,特别是使转捩区和湍流区的气动加热增加约53.6%.因此,将表面流态控制在层流模式对高超声速飞行器热防护具有重要意义.      

管道中复杂马赫反射流场的高精度数值模拟

本文分析了一类高精度迎风TVD欧拉方程差分格式的精度,并用240×80个网格点进行马赫反射的计算,获得了目前实验和计算不易得到的两个激波三叉点的复杂波系结构。本文还研究了激波管上壁面对马赫反射的影响,并计算了轴对称扩张管道中激波的运动及激波与半球形障碍物的相互作用。计算结果分析指出,本文所采用的高精度迎风TVD格式与计算方法可以用来模拟具有复杂波系的工程问题研究。     

一种形状可控的激波增强管道型线设计新方法

激波管所产生的非定常运动激波,若强度和形状能够按照一定的设计要求进行可控条件下的调节,将可望为燃料点火燃烧试验等提供具有独到优势的研究手段。基于激波动力学理论,针对激波管中所产生的平面运动激波,通过设计特定的上下壁面收缩型线,使初始平面运动激波,经收缩段（包括光滑凹形曲线段、斜直线段和光滑凸形曲线段）的变形和强度增加,再以平面波面形状进入较小截面直管段的连续转变过渡,得到了强度增加的平面激波。进一步对所设计的典型型线分别采用数值计算和试验的方法,考核分析激波运动过程中的形状变化,验证了理论方法的可靠性。在此基础上,分析了型线设计的关键参数对激波增强幅度的影响,结果表明,相对于传统激波管方法,本文中所提出的收缩截面方法能更显著地增加平面激波强度;另外,还考察了初始入射激波马赫数对壁面型线和运动激波波面形状的影响,结果表明,对于较强的初始入射激波来说,壁面型线对入射激波强度依赖较小,也就是说,当实际入射激波马赫数即使稍偏离设计状态时,仍然能得到近乎完美的平面形状增强激波。     

导弹发射管内燃气流场的实验分析

针对密封盖未及时开启造成发射装置的损坏问题进行了实验分析。实验测量了对发射管壁静压和密封盖受到的燃气射流冲击压力，利用子波分析方法求取了实验数据的基于子波系数的频带能量谱，并对含有射流噪声的测量数据进行了子波滤波，得到了各点压力低频成分的变化情况，同时得到了密封盖所受冲击冲量与激波振荡幅值的关系。研究表明密封盖不及时开启会在弹管间隙中形成高幅值的起始冲击波和燃气回流激波振荡。这种破坏性的流动结构会导致发射装置的损坏。     

跨音速弯曲壁面正激波与湍流边界层干涉的计算结果

本文介绍弯曲壁面上湍流边界层与正激波干涉的某些计算结果。壁面曲率对激波前后的压力比有重要影响。在干涉区中,边界层位移、动量和能量厚度都有显著的增加。这种增加主要决定于激波前后的压力比。(TBTF)     

激波/平板湍流边界层干扰的数值模拟

采用理性GAO-YONG可压缩湍流模型,模拟了激波/平板湍流边界层干扰现象,结果表明:计算所得到的壁面压力分布、摩阻系数分布和速度型分布均与实验值吻合很好,并且比较准确地预报出了入射斜激波与平板湍流边界层干扰所引起的边界层分离点和再附点等流动特性.由此表明GAO-YONG可压缩湍流模型能够准确地用来模拟激波/平板湍流边界层的干扰流动.      

Shock wave/turbulent boundary layer interaction and its control

The interaction between a shock wave and a boundary layer often leads to extremely detrimental effects, especially if the shock is strong enough to separate the boundary layer. When this happens, there occurs a rapid growth of the dissipative region along with a dramatic intensifying of turbulent fluctuations with the frequent occurrence of buffeting. In the present review some fundamental properties of the interaction are first considered for a two-dimensional, adiabatic flow developing on a flat surface. The following features are first examined: upstream interaction length, incipient shock-induced separation and evolution of the boundary layer properties during the interaction process. Supersonic and transonic flows are both considered. In a second part, the means envisaged to control shock/boundary layer interactions are presented, with emphasis on the physics of phenomena involved in this process. Control methods can be classified into two categories: those acting on the boundary layer properties before it enters the shock region (e.g. wall cooling, wall mass transfer, upstream blowing) and those having a local action in the shock foot region itself (e.g. suction or injection, boundary layer removal, passive control). The most appropriate technique depends on the specific application under consideration. Finally, some calculation methods are briefly presented, most of them being restricted to laminar interactions.     

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。