平面激波绕30°出峰后的绕射与反射

本文针对一平面激波S绕过坡角为30°的山峰后与地面作用所产生的波系图案等问题,通过激波管光测模型实验手段进行了分析和研究。实验是在入射激波马赫数Μ_i=1.18,1.32,1.74,2.00和2.29等五种条件下进行的。实验结果表明,在入射激波S和反射激波R之间出现了一接触面C,并与Skews关于平面激波绕凸角壁面时所得到的结果做了比较。与此同时,从我们所拍摄的纹影流场照片上可以看出,平面激波S绕过30°山峰后与地面作用所产生的反射波均属于马赫反射的范围。     

有限空间中激波运动的数值模拟

采用一种有限体积的TVD格式模拟喷流产生的启动激波在有限空间内的运动过程。计算获得的激波运动过程与激波在大气中传播时的实验结果一致。在传播过程中出现涡环和多次激波。计算表明,在真空箱为正方体的情况下,激波管出口附近的压力脉冲特性主要取决于有限空间的轴向长度。所得结果对毫秒级激波管喷流模拟装置的真空箱设计有参考价值。     

进口斜激波、膨胀波干扰下等直隔离段内的激波串特性

 超燃冲压发动机的隔离段在实际工作中会受到进气道唇罩激波及肩部膨胀扇的显著干扰,本文针对这一特定问题进行了专门研究。提出了唇罩入射激波及肩部膨胀扇的模拟方法,并利用德国Achen的风洞试验对其进行了检验,而后以此研究了入射激波及肩部膨胀扇干扰下隔离段内激波串的基本形态,并分析了出口反压和激波入射位置的影响。仿真结果表明：当激波串在隔离段内不断前移时,受唇罩入射激波及其反射激波的干扰,其高速核心区交替地偏向上下壁面;与无激波入射的情况相比,此时激波串的耐反压能力显著降低,且入射点位置越高,降低幅度越大,管道内的沿程静压分布规律与Waltrup经验公式偏离程度也越来越大。该文结果可为进气道/隔离段的一体化设计提供依据。     

正激波结构与反射的蒙特卡罗模拟

本文用变径刚球模型(VHS)与Larsen-Borgnakke模型借助直接模拟蒙特卡罗方法模拟正激波结构与反射问题。直接模拟显示了分子间作用力幂次对激波剖面的影响,平动自由度经激波的非平衡效应,双组分气体经激波的组分分离效应,有转动自由度激发(双原子分子)气体中激波结构、传播和反射、双原子轻分子作为载体的混合气体激波结构中重气体的温度超出等。     

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。     

激波对凹腔火焰稳定器流场影响

为揭示激波对超声速流中凹腔流场的影响规律,在超声速流中利用长9 mm,坡度为23°的斜坡产生激波。组合利用高速摄影仪和纹影仪,采用碘钨灯、连续激光和脉冲激光作为光源,摄像曝光时间分别为1 m s,8 us,8 ns,获得了斜坡激波入射在单个凹腔中部、中后部和后部,以及激波入射在不同构型凹腔相同位置的流场纹影图像。结果表明,凹腔自由剪切层在受到激波撞击后,在入射点前会发生弯曲而偏向主流,在入射点后加速发展和破碎;激波入射点靠近前沿则引起凹腔前沿激波的增强,靠近凹腔后沿导致再附激波减弱。     

激波聚焦火焰聚心起爆器的数值研究

针对短距离内的激波聚焦起爆问题,设计了一种激波聚焦火焰聚心起爆结构,通过数值模拟方法对该结构内部流场变化进行研究。结果表明:加速区是火焰失稳加速的重要区域;聚焦区能量汇聚造成局部爆炸是燃烧转爆轰加速的关键因素,且该区域内由于几何结构形成的卷吸涡能够增强聚焦并阻碍激波回传入加速区;稳燃区主要实现爆轰波从过驱状态到稳定爆轰状态的过渡区。确定中心轴线上温度、压力波动是由于聚焦腔聚焦作用造成的,而爆轰波锋面温度压力变化是由于三波点运动造成。      

反射激波冲击单模界面的不稳定性实验研究

激波诱导流体界面失稳问题广泛存在于惯性约束核聚变、超燃冲压发动机、武器内爆等工程应用中,相关研究具有重要意义。本文在改进的水平激波管中开展入射激波及其反射激波诱导单模气体界面失稳的实验研究,采用线约束肥皂膜技术生成较为理想的空气/六氟化硫（air/SF₆）单模气体界面,借助高速纹影技术捕捉激波冲击界面后的详细不稳定性演化过程,重点关注反射距离对不稳定性发展的影响（反射距离定义为初始界面和激波管尾端固壁的距离）。研究发现,在一定反射距离范围内,反射激波作用后的扰动增长率几乎为一个恒定值,与反射距离无关（即与反射激波作用前的扰动振幅及增长率无关）,随着反射距离的进一步增大,扰动增长率降低。通过实验测量值与理论预测值的对比,发现Mikaelian模型和Charakhch’an模型（采用合适的经验系数）均能对反射激波作用界面后的扰动增长率给予有效预测,且这两种模型的经验系数都依赖于反射激波作用前的界面演化状态,如果反射距离的改变引起/（不引起）界面演化状态的变化,则需要/（不需要）改变经验系数的值。     

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。     

基于OpenFOAM的三维H2/Air连续旋转爆轰流场数值模拟

为进一步研究旋转爆轰流场特征,基于开源计算流体动力学软件OpenFOAM,采用9组分19步的基元化学反应模型,对H2/Air连续旋转爆轰流场进行了三维数值模拟,得到了旋转爆轰波稳定传播时燃烧室内部流场的详细结构,研究了燃烧室头部激波的传播特性,分析了旋转爆轰燃烧室的压力增益性能。结果表明:旋转爆轰波后的第一道反射激波在由燃烧室外壁面向内壁面传播过程中反射激波的高度增加并在靠近内壁面附近与滑移线交汇形成局部高温高压区域;旋转爆轰波在外壁面位置处相位约落后于内壁面0.003rad～0.15rad,其相位差随燃烧室曲率差的增加而增大;燃烧室头部反射激波数目受到曲率差和进气总压的影响,燃烧室曲率差增大,反射激波数目减少,进气总压增大,反射激波数目增多;燃烧室压力增益保持在0.3以上,在进气总压一定的条件下,压力增益随着燃烧室曲率差的增大有增加的趋势。研究结果揭示了三维旋转爆轰流场的精细结构和燃烧室头部激波的传播规律。     

旋转爆轰波与涡轮平面叶栅相互作用数值模拟

由于旋转爆轰燃烧室具有自增压特性,可提高热力循环效率,因此将旋转爆轰燃烧室应用于燃气轮机可进一步提高系统的性能。基于非稳态雷诺时均Navier-Stokes方法,采用剪切应力输运k-ω湍流模型,建立旋转爆轰燃烧室与涡轮平面叶栅耦合计算模型,研究旋转爆轰燃烧室内的复杂波系与涡轮叶片的相互作用,分析涡轮叶栅对高频爆轰压力振荡的抑制作用。结果表明：旋转爆轰燃烧室内的燃气在涡轮叶栅内加速,并且在斜激波后的局部区域马赫数的增加更为明显。斜激波与涡轮静转子叶片的前缘、压力面、吸力面以及尾缘相互作用,由于旋转爆轰波不同的传播方向,使得斜激波与静子叶片呈相互垂直或平行,进而形成两种不同的波系结构。涡轮叶栅对高频压力振荡存在明显的抑制作用,涡轮叶栅上下游高频压力振荡幅值的衰减率达到80%以上。研究结果展示了旋转爆轰波作用下涡轮叶栅内复杂波系结构特征,并对基于爆轰燃烧推进技术的应用提供了一定的理论基础。     

中心锥喷管喉道比参数对旋转爆轰燃烧影响的数值研究

旋转爆轰发动机的推进性能与尾喷管的设计有关。为探究中心锥喷管的喉道比参数如何影响旋转爆轰波的传播模态及旋转爆轰发动机的推进性能,采用三维欧拉方程结合氢气/空气基元反应模型,对不同喉道比参数下的旋转爆轰发动机进行了数值模拟与流动分析。数值结果显示,随着喷管喉道比的减小,旋转爆轰波依次呈现出稳定单波模态、单双波交替的混乱燃烧模态和爆燃燃烧模态。研究发现,喉道处产生的反射激波是影响RDW传播模态的关键因素。随着喉道比的减小,反射激波强度逐渐增强,并与新鲜来流混气作用引发局部热点,使单波模态转变为单双波交替的混乱燃烧模态;随着喉道比进一步减小,反射激波的高压作用使爆轰波熄爆,燃烧模态转变为爆燃燃烧。对推力性能的进一步分析表明,单波模态下发动机的推进性能随喉道比的减小而增强,且明显好于混乱模态和爆燃模态。     

平面运动激波在定常超音速劈表面马赫反射的研究

本文介绍了在电控双驱动激波风洞中进行的平面运动激波在有定常超音速绕流的尖劈表面马赫反射的实验。这种反射现象属于准定常的,在实验中观察到了四种反射(RR,SMR,CMR和DMR)。本文还计算了三波点Τ的迹线及弯折点Κ的迹线分别和劈面的夹角χ和χ',以及各种反射相互转变的边界。发现运动激波波前定常超音速气流马赫数Μ_0会影响χ和χ'角,使(θ_ω+χ,Μ_s)平面上各种反射的转变边界发生变化,但不影响(θ_w,Μ_s)平面上的各条转变边界线。     

基于RSM模型的管内正激波/附面层干扰数值分析

使用RSM湍流模型对来流Ma=1.68矩形等截面管道内的正激波/附面层干扰流动进行了三维数值模拟,将计算结果与实验数据和k-ω-SST模型计算结果进行了分析比较。结果表明,由于考虑了流动各向异性,RSM模型计算结果能够捕捉到流场横截面中的二次旋涡流动,相对k-ω-SST模型更为准确地模拟了壁面及角流区附面层流动形态和分离特性,与实验数据吻合的更好。分析激波串第一道“λ”激波在壁面角流区的激波分叉结构发现,激波串在壁面的作用下,在管道内的上下壁和侧壁附近都会发生激波分叉现象形成三维“λ”激波;其中第一道“λ”激波的前腿激波会在近壁处二次发生激波/附面层干扰作用,形成范围较小的新的“λ”分叉激波。     

凹面腔内二维激波会聚特性研究

为了研究凹面腔内二维激波会聚的特性,设计、建立了二维激波会聚冷态实验系统,进行了二维激波会聚冷态实验,结果表明：当射流入口宽度增大时,相同射流入射压力下,喷入凹面腔内的射流强度增大,导致凹面腔内的激波会聚强度增强,从而压力脉动幅值增大,频率也随之增大。数值模拟了二维冷态激波会聚过程,从模拟结果中的压力和频率上看,模拟结果与实验结果基本上是吻合的。     

气流出口型面对凹面腔内激波聚焦起爆的影响

为提高两级脉冲爆震发动机工作的可靠性,探寻强化凹面腔内激波聚焦起爆爆震波的方法,通过数值模拟,采用氢气作为燃料、空气作为氧化剂,探讨了3种凹面腔气流出口型面及出口面积对激波聚焦起爆的影响。结果表明:采用垂直出口壁面有助于提高凹面腔内的激波聚焦起爆压力和温度,使起爆时刻提前,随着出口面积的减小,激波聚焦峰值压力有较大的提高;但效果不如垂直壁面,随着倾斜壁面出口面积减小,起爆点的压力和温度只有小幅度增加,起爆时刻基本无变化;采用弧形出口壁面,不能对向凹面腔底部传播的激波产生反射强化作用,不能有效起爆爆震波。对比3种出口壁面型面,垂直壁面能更有利于凹面腔内的能量聚集,强化激波聚焦起爆爆震波。      

动态间断装配法模拟斜激波壁面反射

基于非结构动网格技术和边界装配思想提出了动态间断装配法,该方法能够应用于求解含有间断的流动问题。无论入射激波还是反射激波都是作为边界进行处理,激波运动速度由兰金-许贡纽(Rankine-Hugoniot)关系确定。激波作为动网格的一部分,其运动由动网格技术实现。采用该方法模拟了超声速二维流场中激波与壁面相交问题,并且与捕捉法进行比较,二者的流场结构符合良好,但是在细节上还是存在明显差异。通过对流动结构的分析,得出采用装配方法得到的流场要优于捕捉方法的结论。激波壁面反射的问题模拟,也说明了边界激波装配方法对于复杂的激波相交问题是具有处理能力的。     

凹面腔内的激波会聚冷态实验

为研究两级脉冲爆震发动机中激波聚焦起爆技术,研制了激波会聚起爆原理样机,建立了整套实验系统.利用三维激波会聚起爆原理样机,开展了导流角度、气流出口面积、尾喷管扩张角、凹面腔与射流入口间距离等对凹面腔内气动振荡频率和压力影响的冷态实验研究.结果表明:导流角增大,气动振荡频率增大;气流出口面积减小,气动振荡频率增大,凹面腔底部动态压力脉动幅值增大;喷管扩张角度增大,气动振荡频率数目增多;随着凹面腔与环形射流入口间的距离L增长,气动振荡频率降低,凹面腔底部动态压力脉动幅值降低.