反射激波作用下两种重气柱界面不稳定性实验研究

在水平方形激波管中对两种无膜重气柱界面（分别是SF6和氩气）在反射激波作用下的不稳定性发展进行了实验研究。气柱界面采用射流技术形成,实验采用连续激光片光源照射流场,乙二醇作为示踪粒子,并用高速摄像机对流场进行拍摄,获得了入射激波以及反射激波共同作用下,两种不同气柱界面的演化过程。实验结果表明,两种气柱的Atwood数不同,界面演化速率不同,反射激波到达前后的界面形态不同。SF6气柱在入射激波作用下会产生两个比较明显的反向的涡环结构,而氩气柱界面上由于产生的涡量较少,涡环结构并不明显。在反射激波作用下,SF6气柱界面会出现明显的次级涡对,而且次级涡对的旋转方向与初始涡环结构的旋转方向相反。对于氩气柱而言,在反射激波作用下虽然也产生了与初始涡环方向相反的次级涡对,但次级涡对始终未充分发展。这是因为反射激波作用时氩气柱界面的Atwood数较小导致氩气柱界面上产生的反向涡量较少。实验结果充分表明了气体Atwood数对界面不稳定性的发展起到了较大的影响。     

一种用于RM不稳定性研究的竖直环形激波管的设计与验证

设计并加工了一套竖直环形同轴无膜激波管,可用于环形汇聚激波诱导下的Richtmyer-Meshkov不稳定性实验研究。与前人工作相比,本文在流体界面的形成以及流场的观测方法上做了较大的改进。通过实验和数值方法,对该竖直激波管产生的环形柱状汇聚激波的参数进行测量和分析,验证了同轴激波管形成柱状汇聚激波方法的可行性和可靠性。在界面形成方面,采用细丝约束肥皂膜技术形成正八边形气体界面,并利用数值方法考察了细丝对界面发展的影响。结果表明在界面发展的前期,细丝的影响几乎可以忽略。利用连续激光片光结合高速摄影相机对流场进行观测,获得了正八边形air/SF6气体界面在环形汇聚激波及其反射激波冲击下的演化过程,并与数值结果进行了对比,获得了较好的一致性,进一步验证了汇聚激波的对称性以及细丝约束肥皂膜技术用于形成多边形气体界面的可靠性。     

激波冲击下Air/SF6斜界面不稳定性实验研究

激波在不同密度介质上的交互作用在可压缩湍流上具有重要的基础价值。激波在界面上的作用会引起Richtmyer-Meshkov不稳定性。激波不正规折射时,流场存在更多复杂的涡。研究马赫数为1.23、1.41的激波在初始倾角β=60°的Air/SF6界面上非正规折射的情况。入射激波的切向冲击和法向冲击的相互作用,在界面处产生涡,折射波在壁面发生马赫反射。利用阴影显示技术,给出了界面演化和混合的过程。     

反射激波作用下重气柱界面演化的PIV研究

在水平激波管中采用PIV方法研究了反射激波作用下SF6重气柱界面的发展演化。采用射流方法形成SF6无膜气柱界面,并以乙二醇作为示踪粒子。利用连续激光片光源结合高速摄影相机对流场进行显示,得到了反射激波作用下SF6气柱界面的发展过程。结果表明,入射激波的冲击会在界面上产生反向旋转的涡环结构,而反射激波的作用会在界面上产生与初始涡环旋转方向相反的次级涡环结构。此外,对反射激波作用后的流场图像进行PIV后处理,获得了流场连续的速度场和涡量场。获得的环量与已有的理论模型进行比较,取得了较好的一致性,也验证了本文实验方法的可行性。     

激波边界层的相互作用对扰动波传播的影响

利用线性稳定性理论和直接数值模拟研究了带有入射斜激波的、来流马赫数Ma=4．5条件下的平板边界层的失稳特性。重点考察了在由于激波边界层相互干扰，平板边界层上形成分离区，又进而产生激波、膨胀波和旋涡等复杂流动现象的流场上游，引入小扰动的TS波后，扰动波传播通过带有这些复杂流动现象的流场时，扰动波的发展变化特点。通过对流场中扰动波（包括基本波和衍生波）演化特征的分析，研究分离和激波等复杂流动现象对平板边界层稳定性的影响特点。数值模拟发现，激波的出现不同于一般的压缩波，在亚声速区与超声速区对扰动波演化的影响是不同的，此外，分离对扰动有稳定作用。     

激波冲击锯齿形界面的气泡竞争实验研究

通过实验在激波管中研究了平面激波冲击锯齿形界面的流动不稳定性演化过程,重点关注锯齿形界面初始顶角角度对气泡竞争的影响。利用肥皂膜技术生成初始气体界面,并采用高速摄影结合纹影方法对波后流场进行观测。结果表明:在界面发展早期,大、小界面几乎独立发展,说明气泡竞争在早期不起作用;随着时间发展,气泡竞争起作用,且随着锯齿形界面角度改变而变化,角度越小,界面上产生的斜压涡量越大,界面发展越快,气泡竞争越早出现且作用越显著。气泡竞争能够促进大气泡、抑制小气泡的振幅增长,且对小气泡的影响更大。气泡竞争同时会导致尖钉结构扭曲,进而改变界面总体振幅。气泡头部位移差在进入非线性增长之前会经历两个线性阶段,且第二个线性增长率较小,表明非线性效应在该阶段具有重要作用,大气泡受到非线性效应的影响更大。不同条件下的气泡位移差无法归一化,说明初始顶角角度对气泡竞争和界面演化具有重要影响。     

不同密度梯度的多层流体界面上的Richtmyer-Meshkov不稳定性研究

在气-液界面Richtmyer-Meshkov（R-M）不稳定性研究的基础上,利用不同流体间密度的差异,构造了空气-硅油-水、空气-酒精-硅油两种流体粘度方向迥异的气-液-液三相界面,实验中以氮气作为高压驱动气体,在不同激波马赫数下对这两种界面R-M不稳定性后期尖钉与气泡区发展进行了测量与统计,通过对实验数据的分析,得出了相关规律,并用这些规律与已有的单层气-液界面R-M不稳定性研究成果作比较,得出了异同点。同时,还研究了两种三相界面在R-M不稳定发展中的差异。实验结果表明：当流体的粘度梯度方向（从小到大的方向）与激波方向一致时,界面失稳更加明显,湍流混合更为显著。     

自由活塞激波风洞的入射激波衰减

自由活塞激波风洞产生的入射激波在行进过程中存在较大衰减,这种现象不仅降低了风洞喷管贮室的焓值、压力的量值和平稳性,而且也制约了风洞有效试验时间。针对自由活塞激波风洞结构特点,试图揭示入射激波衰减的主导原因。在忽略一些偶然性随机性因素后,重点对黏性衰减和反射膨胀波作用两个因素的影响进行了分析和比较。结果表明,在风洞主膜片打开时刻,活塞前脸与主膜片之间的短促距离,加剧了反射膨胀波的影响,在很多情况下,这是导致激波衰减的更为主要的因素。出于降低激波衰减和延长风洞有效试验时间的实际工程需要,提出了变截面活塞压缩器的设计构型。随后的理论研究显示,该构型能够实现活塞充分减速并达到安全速度,被压缩气体(驱动气体)能够形成平稳的压力/温度平台,满足激波管驱动需要。     

机翼跨声速抖振数值模拟及模态分析

绕机翼的跨声速抖振流动是典型的复杂不稳定流动，对其非定常特性及失稳机制的研究具有重要的工程和学术价值。通过非定常雷诺平均Navier-Stokes（URANS）仿真方法和动模态分解（DMD）分析手段，研究了CRM（Common Research Model）等典型机翼的跨声速抖振流动特性及其主要失稳模态。数值仿真结果表明机翼的跨声速抖振表现为多失稳模式下的宽频特性。除了激波的弦向失稳，还会伴随发生激波的展向失稳，它们都表现为低频特性。翼梢处的高频响应可能是由激波诱导的低频失稳与翼尖涡相互耦合形成。DMD分析结果显示机翼展长和后掠因素诱导了激波展向失稳模态。本研究对抖振流动的物理建模、控制及理解相关的气动弹性现象具有指导意义。     

气体模型对高超声速再入钝体气动参数计算影响的研究

本文采用完全气体模型、振动激发气体模型、平衡气体模型、一温度非平衡气体模型、两温度非平衡气体模型和三温度非平衡气体模型进行了钝体高超声速绕流流场的数值计算。分析了各种气体模型对激波脱体距离、壁面热流、温度分布和密度分布等的影响。结果表明：采用两温度（或三温度）非平衡气体模型计算的激波脱体距离更接近实验情况；采用平衡气体模型计算的壁面热流量高，一温度非平衡气体模型完全非催化的壁面热流最低，而完全气体模型的壁面热流在两者之间。最后给出了各种气体模型的密度等值线比较图。     

超声速绕钝板熵层不稳定性的研究

为了研究熵层的不稳定性,首先选择马赫数为4.5、前缘为圆头的0°钝板模型,利用直接数值模拟得到基本流场,然后在此基础上进行线性稳定性分析,同时通过经验方法确定熵层和边界层区域。研究发现,对于某一流向站位的基本流剖面,存在两个广义拐点,分别位于边界层和熵层。针对熵层的广义拐点,进行稳定性分析研究了熵层中不稳定模态特性,得出该模态的不稳定区域集中在前缘附近,且扰动增长率很小。通过直接数值模拟熵层扰动的演化,发现在前缘附近扰动幅值也是缓慢上升,之后缓慢下降。另外,距离前缘较远处的数值模拟得到的扰动幅值与LST结果比较,二者吻合得很好,说明熵层在下游具有很好的平行性。     

超声速边界层三维扰动引起小激波的数值研究

通过直接数值模拟的方法,研究了M=4.5的超声速边界层中三维扰动的演化。以某一剖面为入口,加入一个及一对三维T-S波,发现随展向波数的增加,扰动幅值的增长率逐渐减小,证实了M=4.5的超声速边界层中,当三维扰动达到一定幅值时会有小激波出现,为建立可压缩流动稳定性理论提供了依据。     

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。      

基于全局线性稳定性分析的翼尖双涡不稳定特征演化机理

相比于机翼产生的孤立翼尖涡，加装小翼之后的翼尖涡表现出双涡甚至多涡结构，并且呈现出更加复杂的不稳定特征。为揭示翼尖双涡结构不稳定特征及其演化机理，采用体视粒子图像测速（SPIV）技术和全局线性稳定性分析（LAS）方法对不同雷诺数和攻角下带双叉弯刀小翼的M6机翼产生的翼尖涡结构在尾迹区的不稳定特征进行研究。试验结果表明，对称布置的双叉弯刀小翼产生的翼尖涡包含上/下小翼产生的主涡（上/下主涡）结构，两者构成近似等强度的同转涡对，在相互靠近的同时以20 rad/s的角速度相互缠绕。对上/下主涡瞬时涡核位置的统计分析表明，翼尖涡摇摆幅值随流向位置逐渐增大，随雷诺数的增加而增大，随攻角的增加先增大后减小。对16倍弦长的尾迹截面处的翼尖双涡结构进行全局时间稳定性分析，不同工况下，上/下主涡最不稳定模态（模态P/模态S）的稳定性曲线变化规律与摇摆幅值的变化规律相一致，表明翼尖涡的摇摆源自于其内在的不稳定性特征。增加流向扰动波数，发现模态P切向波数逐渐增加；而模态S则是径向波数逐渐增加。不同工况下，模态P的切向波数为5~6，扰动波数分布在[2.75，5]的区间内，所对应的不稳定放大率均大于模态S，而不稳定放大率最大的模态扰动范围作用在上主涡的整个涡核区域，表明这种大切向波数的扰动模态在翼尖涡流控中的潜在价值，也意味着加装小翼会增加涡结构的个数，增强不稳定性的发展，有助于翼尖涡的快速失稳衰减。     

侧壁约束下压缩激波/湍流边界层相互作用低频不稳定性实验研究

侧壁面约束条件下压缩激波/湍流边界层相互作用（Shock-Wave/Turbulent Boundary-Layer Interactions, SWTBLIs）呈现出区别于经典二维SWTBLIs的强三维特性，尤其是低频不稳定性问题自发现以来就受到了广泛关注，而其与下游压缩环境之间的关联性尚不明确。本文基于带侧壁约束的超声速压缩拐角构建三维受限的SWTBLIs流动，并通过自由射流风洞实验进行了系统研究，其中来流Ma∞=2.5、湍流边界层发展厚度对矩形流道宽度的占比约0.08、压缩拐角在12°~24°的宽范围内变化。通过不同压缩拐角下流场结构演化及壁面压力脉动信号谱特性的对比，揭示了侧壁面约束条件下压缩拐角对低频大尺度振荡时间-空间演化行为的影响规律和作用机制。研究发现：压缩拐角角度较小时，侧壁面约束导致的“拖尾效应”有助于延缓压缩拐角附近流动分离模式的过渡，并抑制压缩激波的不稳定性；压缩拐角达到20°及以上时，压缩拐角前沿逐渐发展为大尺度流动分离模式，侧壁面约束的角区将首先发展出能量集中的低频脉动，并逐步演化为两种峰值频率分别为约50Hz、200Hz量级的不同大尺度间歇性低频振荡叠加行为，且伴随着压缩激波形态的显著改变；两种低频振荡行为都属于SWTBLIs流场的全局性不稳定振荡，但沿着展向振荡强度差异显著，角区内的振荡强度远远高于中心主流区域。     

封闭状态储运发射箱箱壁压力的子波分析

为研究火箭导弹在封闭式储运发射箱内发射时，由于密封盖的反射作用使弹箱间隙内存在的复杂燃气流场，通过对测量数据进行子波分析，得到了管（箱）壁压力时间历程曲线中的燃气射流段是由射流激波振荡（低频）和射流噪声（高频）两种流动成分组合而成，激波振荡沿管壁向弹头方向是衰减的，它在低频段聚积的能量与起始冲击波一起都对储运发射箱式定向器具有破坏作用。     

剪切气流中无黏液体横向射流破碎机理

航空发动机燃烧室中,液体燃料的雾化过程、特别是初始雾化过程非常复杂,至今无法建立准确的初始雾化模型。忽略液体射流黏性,采用线性不稳定性分析法对无黏液体（工质为水）在二维剪切横向气流中的破碎机理进行研究。通过建立射流的色散方程,根据其表面波的增长率及波数的发展情况对射流破碎进行预测。当气体韦伯数或液体韦伯数增大时,射流表面波增长率显著增加,最佳波长明显减小。液气动量比大于临界值时,Kelvin-Helmholtz （K-H）不稳定性占主导作用;反之,Rayleigh-Taylor （R-T）不稳定性占主导作用。二维剪切气流在射流方向上具有速度梯度,只改变横向气动力对射流表面波的作用。气体韦伯数与液体韦伯数对射流破碎的作用与均匀气流相似;保持气流流量相同时,负梯度剪切气流可以加速射流的破碎。     

振动温度的激波管测定

根据双原子分光带系及其强度理论，介绍了测定振动温度的原理及方法，同时，利用激波加热试验气体的方法，得到氧化铝分子绿带系（Ｂ＾２Σ＾＋－Ｘ＾２Σ＾＋）的全部光带，通过氧化铝分子绿带光带强度的测定，得到在激波马赫数为１０时，反射激波后气体的振动温度约为５２００Ｋ。     

JF-12激波风洞在火星进入环境下的运行特性

火星探测是目前国际深空探测的热点,而火星着陆是火星探测的关键技术之一,火星着陆器发展中面临的一个严峻的挑战是其气动环境远远不同于地球大气的空气。然而,现阶段大多数地面试验设备都是以空气为试验气体来设计的,而不是火星大气的CO₂。本文利用高温热化学反应流动数值计算技术,对JF-12反向爆轰驱动激波风洞在火星进入环境下（主要气体成分是CO₂）的运行特性进行了计算模拟,通过调整激波管中驱动/被驱动气体的初始参数和高/低压段的截面积比,来模拟其中的波系产生、传播过程以及反射激波与接触面的相互作用机制。研究发现,相同情况下驱动CO₂的缝合激波马赫数要明显高于空气,通过减小驱动气体的声速和低压段的直径,可以在驱动CO₂时获得驻室压力稳定的试验气体。     

基于线性稳定性分析的翼尖涡摇摆机制

在涡不稳定性特征的影响下，翼尖涡会在尾迹中发生摇摆运动。为了揭示翼尖涡摇摆的本质原因以及发展机理，采用体视粒子图像测速（SPIV）技术和线性稳定性分析方法对不同雷诺数和迎角下NACA0015等直翼产生的翼尖涡在尾迹区的不稳定性特征及发展进行研究。结果表明：在1~6倍弦长的尾迹区内，翼尖涡存在摇摆现象，摇摆幅值随流向放大，且摇摆运动沿流向逐渐呈现出各向异性特征；在大迎角条件下，翼尖涡摇摆幅值随流向增长更快。采用线性稳定性分析方法，定量化分析翼尖涡的稳定性、空间/时间不稳定性放大率和扰动频率随流向的发展过程。结果显示，在雷诺数2.1×10⁵~3.5×10⁵范围内，翼尖涡均处于临界稳定状态，扰动频率为3~5 Hz。基于线性稳定性分析结果，发现在大迎角条件下翼尖涡时间/空间不稳定性放大率更大，解释了当迎角增大时翼尖涡摇摆幅值随流向增长更快的现象。另外，由线性稳定性分析得到的最不稳定模态显示翼尖涡的横向速度扰动具有明显的方向性，从而诱导翼尖涡产生摇摆运动；速度扰动方向的周期性变化则使翼尖涡摇摆区别于一维的随机振荡，而是表现为在各方向均含有分量且具有主频的摇摆运动。这种由不稳定性导致的速度扰动是翼尖涡摇摆的内在机制，其不稳定性放大率控制着摇摆幅值的增长速率，而其横向速度扰动的方向性与周期性则决定了翼尖涡的摇摆特征。