超声速喷流激波噪声基础问题数值模拟研究进展

超声速喷流问题是一个包含激波、旋涡、湍流和声波的多尺度复杂流动问题,其数值模拟方法及激波噪声产生机制是相关研究的长期热点和难点。本文简要回顾了超声速喷流激波噪声研究进展,重点介绍了针对激波噪声计算方法的非物理噪声消除技术和光滑因子设计准则,针对超声速喷流激波噪声研究设计的模型问题（包括旋涡–旋涡相互作用、激波–旋涡相互作用和激波–剪切层相互作用等）,以及轴对称和三维超声速喷流的研究进展。本文还介绍了作者最近针对超声速喷流开展的三维直接数值模拟、实验验证工作和初步分析结果（包括轴对称模态定位、束缚波演化和摆动模态发展等）。     

激波在通道口部绕射反射研究

在地下工程研究和设计中,地面运动的高速空气冲击波进入通道后的波动问题是非常重要和急待解决的问题。为了弄清激波进入通道后的传播规律,我们利用新近研制的光学激波管和其他激波管设备,对侧向激波进入通道后的各种模型进行了系统试验研究,观察了激波进入通道后的波动图像,获得了一些很有价值的成果。本文介绍了试验方法和设备,描述了地面激波进入通道后在口部的绕射、反射波动图像和波后多旋涡运动规律,定量给出了通道口部绕射区压力变化曲线。     

激波运动与反射流场的ENO算法

在ＴＶＤ格式的基础上，以修正限制函数的方法，将通常的ＴＶＤ格式改造为性能更为优越的ＥＮＯ格式，并利用这种有限差分格式求解欧拉方程和薄层Ｎ－Ｓ方程。分别数值模拟了激波管中运动激波与三种楔形物体相互作用流场；给出了激波在不同物体上的反射及波涡干扰过程中非定常流场的变化情况；算出的波系结构与在ＣＡＲＤＣ小型激波管中做的相关实验结果一致。     

激波绕楔形物体的流场分析

使用数值计算方法和数值干涉技术并结合实验干涉图片,分析了激波过拐角绕楔形物体运动的流场.并采用数值彩色干涉技术,将数值计算结果转换为彩色条纹编码的数值干涉图,并与实验干涉图比较,可以辨识过激波发生跳跃后的干涉条纹的位移数,从而确定实验干涉照片的密度场.数值计算采用显式二阶迎风TVD格式.采用数值干涉技术将计算密度场转化成数值干涉图与实验干涉图进行了比较,检验了数值结果的可靠性.数值计算结果显示了包括激波、接触间断和旋涡在内的详细的流场结构,与实验相比,更为细致地刻画了流场演变过程的细节.通过数值计算结果观察到激波传播到旋涡中心附近并没有发生明显耗散,旋涡上半部的激波得到减速,下半部分的激波得到加速.     

超声速压气机叶栅中激波、边界层相互作用的基本现象及被动式控制的研究

高级压比轴流压气机叶栅中激波、边界层相互作用会引起激波振荡并增加流动损失。本实验在超声速压气机叶栅风洞中研究激波、边界层相互作用现象并用激波、边界层相互作用的被动式控制方法寻求减弱激波振荡、减小流动损失的途径。被动式控制是用带有空腔的多孔表面部分地取代叶片吸力面的固体表面，并使该多孔表面恰好位于激波位置的下方。本文给出了有无被动控制时叶栅通道的纹影照相、高速照相、激波强度及叶栅损失，并对它们加以比较。结果表明，激波由无孔叶片时的单一波变成有孔叶片时的入波，激波强度变弱，激波振幅减小，叶栅等摘效率得以提高。     

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边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反射激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;激波与边界层作用后,波后边界层内出现了一系列高低压区相间的流场结构。     

双燃式(超燃)冲压发动机中激波与边界层之间相互作用对内部流动的影响

在激波风洞中研究了激波与边界层之间相互作用对双燃式（超燃）冲压发动机进气道和燃烧室冷态内部流场的影响,实验发现在进气道中,激波与边界层之间的相互作用产生了两侧均为超声速流的滑移面。实验结果表明内涵道（亚燃室）中流动状态的变化与激波－边界层之间相互作用密切相关。     

激波与氦气泡相互作用的实验与数值研究

提出了一种在激波管中实现运动激波与球形气-气界面相互作用的研究方案.以肥皂膜作为气体交界面,高压火花为光源,采用阴影法,在马赫数M=1.2的情况下,在矩形激波管中开展了一系列的实验研究,获得了激波作用下球形氦气泡界面发展变化的相关实验结果.还通过求解二维轴对称的Euler方程,结合网格自适应策略,对实验过程进行了数值模拟.通过与实验结果的对比分析,证实了涡量的产生和分布对于界面的变形和发展有着重要意义.     

基于彩色纹影的Edney Ⅳ型激波相互作用研究

发展了一种高分辨率和灵敏度的彩色纹影技术,研究高超声速条件下Edney Ⅳ型激波相互作用.解决了制作彩色滤光片的关键技术,采用特制的彩色滤光片代替了传统纹影系统中的刀口,高速彩色相机曝光时间60μs,帧频6242fps.将光源限制在0.5mm×20mm的狭缝内以提高系统灵敏度.实验在马赫数为5的激波风洞内进行,Edney Ⅳ型激波相互作用由15°斜劈和20mm直径钝头体产生,来流静压和静温分别为1800Pa和100K.数值模拟采用迎风格式求解三维RANS方程.实验得到了清晰的彩色纹影照片,细致地呈现了Edney Ⅳ型激波相互作用的波系结构和马赫数为1.2的超声速射流.数值计算与实验结果很好地吻合,共同揭示了Edney Ⅳ型激波相互作用机制和钝头体表面局部高压区域的形成原因.     

运动激波绕尖劈流动的研究

在激波管中进行双尖劈二维外形的激波绕流数值计算和实验研究。入射激波Ｍｓ＝１．８,用激光全息双爆光技术定量测定各瞬时的密度场。计算采用欧拉方程和有限体积法进行离散并采用高精度的ＴＶＤ差分格式。计算与实验两者之间的比较,表明本文采用的计算方法对于解决尖点的绕流十分奏效;根据计算所获得的运动激波波系,能够判断局部区域实验测量的密度场梯度方向,从而使密度场的定量测定获得更可靠的结果。     

激波对血液成分影响的实验研究

用自行研制的无膜激波管，研究在一定强度激波的作用下，激波对血液成分的影响。分析了激波与血液作用时的波系结构，得到了作用在血液上的透射激波速度和透射波波后压力的表达式。共对24组新鲜血液进行了对照实验，实验后的医学化验表明：激波对血液有相当强的作用，其中尤为明显的是作用后的血液中游离血红蛋白明显增多、血小板数减少。结果还表明这些变化跟激波作用的次数有一定的关系。文中对造成血液破坏的机制也作了初步的分析。     

激波过弯道绕流流场(英文)

为了研究微波过弯道的传播，气动中心设计了微波过弯道的实验装置，它很容易拆卸并组成带10°发散的弯道、短形弯道和带各种角度的二元喷嘴。实验所得到的若干照片，对于研究激波反射、绕射与边界的相互作用和对数值模拟的验证是很有用的。     

爆炸波与超声速飞行物体相互作用研究

本文数值模拟了超声速飞行物体与爆炸波相遇后产生的两波干扰流动，采用了激波捕捉、有限差分法和LU-TVD格式。同得到的实验结果对比，计算结果反映出了两波作用后的复杂流动，并且可清楚地看到飞行体头部产生的弱接触面，与实验符合较好，同时进一步模拟了飞行体以-5°攻角飞行时与爆炸波相遇后的流动。     

地下结构模型试验的光学激波管

光学激波管是进行抗爆结构试验研究的一种新型动载设备,它除具有常规激波管的通过电测手段测试试验结构物上一点或多点的应力、应变、速度等力学参数外,其突出的特点是通过光测手段能够拍摄试验结构物在冲击波动压作用下连续变化的过程和被破坏形态的清晰物理图像,进行地下结构的抗爆研究。本文较详细地介绍了用于地下结构抗爆试验研究用的光学激波管设备的构造和测试手段以及设备调试和应用试验的情况,最后还公布了用该设备拍摄到的激波进入通道后波后新物理现象的彩色波动照片及用该设备做的部分试验研究成果。     

激波穿过孔板系统的传播及其诱导的流场

基于Ｅｕｌｅｒ方程，采用高精度、高分辨率的ＧＲＰ有限差分法及算子分裂技术，对激波通过孔板系统的传播、绕射和反射，以及诱导的流场进行了数值研究。计算结果清楚地给出了激波传播、绕射、反射、及相互干扰的复杂流场结构。与实验结果比较，早期两者吻合较好，后期由于湍流发展的影响，必需考虑粘性修正。     

反射及绕射冲击波的生物效应研究

采用生物激波管内放置挡板,探讨弱冲击波的反射及绕射作用对生物效应的影响。结果表明反射激波超压明显增强,约为入射激波超压的3 倍,并可引起动物肺和胃肠道损伤;绕射激波的一次激波超压明显降低,约为入射激波的1/3 ,二次激波与距挡板的距离有关,当距离为挡板高度的1/4 和2 倍时,超压低于入射激波,距离为挡板高度的1/2 和1 倍时,超压稍高于入射激波,提示该处激波有叠加现象,实验动物均未见明显内脏器官损伤。本研究结果对冲击伤防护具有一定的意义     

多循环脉冲爆轰发动机外流场的实验研究

利用内径为30mm,长度为1000mm的爆轰管,对多循环脉冲爆轰发动机外流场进行研究.爆轰管内充满氢气-氧气-氮气预混气,采用底端中心点火.实验中采用YA-16高速阴影系统,拍摄了爆轰外流场的阴影照片.根据实验结果,分析了外流场的动力学结构和悬吊激波产生的动力学机理,讨论了两次循环管外流场结构间的差异.第一次循环中的爆轰波溢出爆轰管后,斜压效应和Helmholtz不稳定导致涡环的产生,涡环形状的变化又引起悬吊激波的角度变化,在此过程中引导激波始终为球面形状,在第二个循环中的相应时刻,激波前的气体是向外流动的,导致引导激波逐渐成为葫芦形状.     

激波对非晶态合金Fe_（78）B_（13）Si_9的作用

采用ＸＲＤ初步研究了经激波作用的非晶态合金Ｆｅ（７８）Ｂ（１３）Ｓｉ９的晶化，结果表明，激波对非晶态合金Ｆｅ（７８）Ｂ（１３）Ｓｉ９具有强烈影响。激波可以使非晶态合金Ｆｅ（７８）Ｂ（１３）Ｓｉ９转变为多品材料，结晶出新的晶化相。这些晶化相的ｘ－射线衍射峰不同于用传统退火工艺得到的晶化峰，且各自彼此也不同。激波可能是一种很好的研究非晶晶化的新技术。