管内激波串振荡和壁面脉动压力特性

分析了管内激波串振荡引起的壁面压力脉动特性。采用直联风洞实验方式结合动态压力测量技术获得了矩形管道内不同激波串位置下的壁面压力分布数据,对所得压力脉动幅值、功率谱密度曲线等结果进行分析,探讨激波串流动非定常特点与引起压力脉动的机制。     

高背压进气道中内外流耦合作用的大涡模拟

采用大涡模拟研究了出口堵塞比为50.8%的轴对称进气道流动,重点考察了内外流耦合作用下流动的非定常特性。采用国家数值风洞（NNW）工程仿真软件进行数值模拟,得到的壁面平均压力、瞬时压力分布与试验数据符合良好。分析表明：为匹配出口背压,进气道在喉道区域形成激波串结构,使内流道流场分为上游超声速区、中部激波串区以及下游亚声速区;在激波串区,剧烈的逆压梯度产生了分离激波、激波串、分离区及分离剪切层等复杂结构;伴随着激波串运动和边界层大尺度分离,进气道壁面压力出现宽频脉动特征。脉动压力的时空分布表明：内流道脉动压力以扰动波的形式传播,为此建立的声反馈模型能较好地预测亚声速区的主导频率。相关性分析表明：激波串运动受上下游流动耦合作用,其中,频率为St=0.7的运动主要受上游流动影响,频率为St=0.9的运动主要受下游压力扰动波影响。     

过膨胀状态下单边膨胀喷管内壁面压力非定常特性试验研究

为获得单边膨胀喷管(SERN)过膨胀状态下壁面压力非定常特性,在喷管落压比(NPR)为7.54和9.98两种状态下,采用动态压力传感器对SERN壁面压力进行试验测量,并结合聚焦纹影观测流场。结果表明:在两种落压比条件下,喷管下壁面分离模态均为自由激波分离(FSS);NPR=7.54条件下,喷管上壁面分离模态为受限激波分离(RSS);而在NPR=9.98条件下,喷管上壁面分离剪切层间歇性地撞击喷管壁面,导致喷管出口附近壁面压力间歇性的高于环境压力,流动分离模态为部分受限激波分离(pRSS)。不同分离模态下,上游未受扰动区域壁面压力脉动主频均接近于6kHz,喷管内流动分离点呈现宽低频振荡特性。RSS模态下,分离点附近壁面压力脉动具有相对独立主频,而在FSS和pRSS模态下无明显独立主频。     

超燃冲压发动机隔离段非对称来流下激波串受迫振荡流动研究

用非对称马赫1.98的隔离段直连实验研究了不同波形不同频率的脉动反压对隔离段内流动的影响。实验结果表明:隔离段能有效地隔离不同频率不同波形周期性反压脉动对上游进气道的影响;反压脉动以第二特征波速向上游传播,但在激波振荡区域,压力脉动主要受激波振荡的影响;厚附面层一侧的下壁面激波振荡区域内压力脉动前传时以指数规律衰减,衰减的程度随着频率和波形的改变而改变。而薄附面层的上壁面激波振荡区域内压力脉动前传时不是单调下降,而是波动的。     

爆震波逆向传播抑制特性数值仿真

为了发展爆震工作条件下进气涵道运动激波前传抑制技术,采用非定常数值方法开展了爆震发动机进气涵道流动特性 与高频强扰动抑制技术研究。结果表明：受出口高频强压力扰动影响,涵道内存在逆向传播的运动激波。在运动激波逆向传播过 程中激波强度与压力脉动强度先衰减后增强,运动激波传播速度逐渐减小直至为零。刚性障碍物高度影响运动激波传播特性。 随着障碍物高度增加,压力脉动谷值逐渐降低并向下游移动,同时结尾激波向上游移动,波前马赫数降低,结尾激波强度减弱,使 出口马赫数和总压恢复系数均增大;合理选取刚性障碍物高度可以有效降低压力脉动强度,当障碍物高度为进气涵道出口高度的 0.07倍时,涵道内的总压恢复系数达到了0.884,脉动强度谷值最大下降36.6%,对上游的影响相对较小。     

第Ⅳ类激波-激波干扰非定常性及其敏感因素分析

针对高超声速二元进气道钝化唇缘位置可能出现的第Ⅳ类激波-激波干扰流动中的非定常振荡问题,采用基于有限体积方法结合网格自适应技术的VAS2D程序,数值求解二维可压缩层流Navier-Stokes方程,细致刻画了第Ⅳ类激波-激波干扰非定常流场中的复杂波系结构、壁面压力和热流分布,重点考察了入射激波位置、入射激波强度以及钝头体外形等对第Ⅳ类激波-激波干扰流动特性影响较为敏感的因素及其影响规律。数值模拟结果表明:第Ⅳ类激波-激波干扰流动可能出现非定常振荡,也可能呈现相对稳定的状态,入射激波条件和钝头体外形均可能对第Ⅳ类激波-激波干扰流动非定常性的显现及其振荡特征产生显著影响。采用无量纲的Strouhal数表征流动的非定常性,在文中数值模拟条件下,入射激波强度增大或者钝头体外形变钝,均会使得Strouhal数减小,而壁面热、力载荷有增大的趋势。合理地选择钝头体外形可望减小第Ⅳ类激波-激波干扰出现的比率,有效抑制流动中的非定常振荡现象,降低激波-激波干扰带来的热流和压力脉动峰值。     

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。     

单边膨胀喷管内流动分离非定常特性

结合聚焦纹影和动态压力测量技术,对基于特征线法设计的单边膨胀喷管(SERN)不同落压比(NPR)条件下喷管内流场结构和壁面压力进行了试验测量,通过壁面压力时域和频域综合分析获得了喷管内流动分离非定常特性。结果表明:过膨胀状态下单边膨胀喷管内流场结构具有明显的非对称特征,喷管上壁面流动分离模态为受限激波分离(RSS),而下壁面流动分离模态为自由激波分离(FSS);相比于FSS模态,RSS模态下出口附近壁面压力振荡更剧烈。喷管上、下壁面压力标准差峰值均在分离点附近,且概率密度函数分布向一侧偏斜或出现双峰现象。RSS模态下,激波运动呈明显低频特性;FSS模态下,激波非定常特性不仅受回旋区压力扰动的影响,且受分离剪切层的影响。      

带抽吸二元进气道/隔离段激波串振荡特性

针对抽吸缝作用下激波串非定常振荡的复杂流动问题,采用高速纹影结合壁面动态压力测量的方法,在马赫数6的激波风洞中研究了高马赫数二元进气道/隔离段中激波串的自激振荡特性。隔离段出口不同堵塞度的实验结果表明:在低堵塞度下,隔离段内的分离激波无明显振荡;在中等堵塞度25.3%～32.3%和高堵塞度35.3%～38.2%工况下,隔离段内产生非定常激波串,受到隔离段内预先存在的背景波系以及抽吸缝泄流作用的影响,分别出现大幅度低频振荡和小幅度高频振荡;而当堵塞度超过临界值后,激波串被推出进气道,出现不起动。在大幅度振荡模式中,上壁面大分离区周期性地形成和消失,下壁面的激波串前沿分离激波在抽吸缝后缘到隔离段出口之间大幅度振荡,其振荡主频约为280Hz～480Hz,并且随着堵塞度升高而降低;在小幅度振荡模式中,上壁面始终存在大分离区,下壁面的激波串前沿分离激波在抽吸缝附近小幅振荡,其振荡主频约为900Hz～1800Hz。两种振荡模式均给隔离段壁面带来严酷的脉动压力载荷。     

壁温对隔离段激波串振荡的影响

为了探索存在换热条件下超燃冲压发动机隔离段内部的复杂流动机理,采用2阶精度的非定常数值模拟程序研究了壁温对隔离段内部激波串振荡特性的影响。结果表明:压力振荡曲线与激波串前缘位置之间存在紧密关系。此外,随着壁温升高,隔离段壁面压力振荡的频率减小、振幅增加。研究还发现,隔离段压力振荡标准差最大值位于激波串前缘激波及其与上下壁面边界层相互作的位置,而湍动能最大值则分布在分离区后侧剪切层区域内。      

非对称超声速喷管内流动分离非定常特性

综合采用流场观测和动态压力测量技术,对非对称超声速喷管分离流状态下喷管内激波结构和壁面动态压力进行了试验测量,通过壁面压力时频特性分析获得非对称喷管内不同流动分离模态的流动非定常特性。结果表明：在喷管落压比(NPR)为1.8～12.7范围内,喷管内流场结构由下偏向上偏转换;上壁面流动分离模态经历了受限激波分离(RSS)、末端振动状态和自由激波分离(FSS);下壁面流动分离模态主要为FSS;流动分离模态为RSS时,Schmucker分离预测标准不再适用。RSS和末端振动状态模态下,尽管分离间歇区壁面动态压力具有相似的低频特征,激波运动呈显著低频特征,但末端振动状态模态下频率值略高,主要是由于流动再附点近喷管唇口,分离剪切层撞击喷管出口位置,剪切层的不稳定性影响了分离激波的振荡特性。     

二维凹面腔内连续超声速射流入射压力对激波聚焦的影响

为研究射流入射压力对连续超声速射流对撞诱导激波聚焦的影响,开展了二维凹面腔内连续超声速射流对撞诱导激波聚焦的实验,分析了流场演化过程及动态压力特性。结果表明:连续超声速射流在凹面腔内对撞后出现了水平拉锯脉动模态和上下交叉脉动模态,在水平拉锯脉动模态中能实现频率为9k Hz左右的激波聚焦,实质是凹面腔内的气流周期性排出后形成的低压区导致射流喷管出口形成前导激波并在凹面腔底部聚焦;射流入射压力越小,凹面腔底部和射流对撞位置的压力脉动幅值越小,凹面腔底部激波聚焦的频率和强度越小,当入射压力减小到0.3MPa后,凹面腔内无法实现激波聚焦。     

非对称来流下隔离段动态压力特性

为了探讨非对称来流下矩形隔离段内动态压力特性,用直联实验方式以及动态压力测量技术进行了试验,并用统计分析方法分析了数据。实验结果表明,入口来流的非对称性对上下壁面压力脉动大小以及传播平均速度有较大影响,而对频率无多大影响。激波串区域内壁面压力脉动向下游传播比向上游传播衰减得快。在隔离段出口超声速条件下,观测到的压力脉动频率主要在70 Hz以下,而在出口亚声速条件时,压力脉动的频率不仅有70Hz以下的部分,而且还有100~200 Hz之间的部分。     

超声速燃烧室壁面压力特征实验研究

为了评估基于燃烧室壁面压力实时监控的双模态超燃冲压发动机闭环控制系统方案的可行性,在西北工业大学地面直连式实验台上开展了一系列双模态超燃冲压发动机燃烧室地面直连式实验。实验模拟了飞行马赫数4.0条件下两个不同燃烧室构型点火燃烧的实际工作过程,测量并分析了燃烧室壁面压力脉动、压力响应和激波串前沿位置等特征。燃烧室进口来流状态为马赫数2.0、总温约880K、总压0.8~1MPa。实验结果表明,燃烧室壁面压力存在明显脉动,且脉动幅度随着油气比的增加呈现增加趋势;壁面压力响应很快,响应时间在毫秒量级,说明在超燃冲压发动机闭环控制中,通过燃烧室实时壁面压力反馈来调节供油控制燃烧室工作状态是可能的;另外,通过改变燃油流量能够实时控制隔离段激波串前沿位置。     

左行运动激波主导的管内流动特性研究

为了分析左行运动激波主导的管内流动特征，本文采用非定常数值仿真方法，对亚声速进口条件下等直管道内左行运动激波传播与演化特性、左行运动激波/边界层干扰特征开展研究。研究结果表明：在出口周期性强压力脉动干扰下管内存在连续的左行运动激波，该左行运动激波传播特征具有相似性，激波强度、传播速度按幂函数规律衰减。气流经过左行运动激波后总压、总温、静压阶跃式升高，随后受膨胀波影响气流总压、总温、静压下降；左行运动激波/边界层干扰诱发形成翼型回流区，该回流区随运动激波强度衰减逐渐减小。理论与数值分析表明存在左行运动激波后速度为零和运动激波两侧总压相等的两个临界状态。波前马赫数低于临界值或左行运动激波强度高于临界值时，左行运动激波后为倒流、波后总压高于波前。     

高分辨率激波/边界层干扰时间演化过程分析

在超声速风洞中开展了湍流边界层与圆柱相互作用流场研究，试验马赫数为3.4和3.8。圆柱安装在试验段底板上，安装位置的边界层为充分发展的湍流边界层，研究了圆柱直径和高度对流场结构和压力脉动的影响。采用基于纳米示踪的平面激光散射(NPLS)技术获取了流向和展向流场精细结构，激波系和马蹄涡结构均可清晰分辨。通过展向流场图像可以发现干扰区内激波与湍流结构的相互作用具有明显的非定常性。采用动态压力传感器测量了圆柱前方相互作用区域的压力脉动特性，在激波足区域压力呈现11～38 kHz的宽频分布，推测主要由激波足与涡结构相互作用及滞止区涡结构的破碎引起。随着圆柱高度的增加，激波足附近测点对应的特征频率有所降低；上游测点则发现了0～3 kHz低频区能量的增强，这主要是由分离区引起的，表明在一定高度范围内高度的增加增强了流动分离。     

激波串与进气道肩部分离泡相互作用

针对高超声速进气道激波串与肩部分离泡相互作用时的流动振荡问题，在来流马赫数为6的激波风洞中，采用高速纹影拍摄结合壁面动态压力测量，研究了有/无抽吸情况下激波串与肩部分离泡的相互作用过程。结果表明：当激波串前移至肩部附近时，有抽吸进气道也会产生大尺度的分离泡，进而有/无抽吸进气道内的激波串均会与肩部分离泡形成耦合振荡，并造成严重的脉动压力。在激波串的推动下，分离泡能够自由地越过肩部凸拐角，使得其自身的低频振荡特性能够显现。激波串内的压力波动会显著改变分离泡的形态，而分离泡形态的变化又会影响激波串内的压力，两者相互耦合从而维持这种低频振荡。无抽吸进气道具有相同的低频耦合振荡特性；而抽吸缝阻碍了上下游的信息传递，使得有抽吸进气道的分离泡低频振荡显著，而激波串振荡具有一定的宽频特性。经分离激波振荡范围和进气道入口速度无量纲后，有/无抽吸进气道低频耦合振荡的St均处于0.011～0.021，与经典分离泡的低频振荡特性相当。     

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.     

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。     

管内正激波/湍流边界层干扰的数值模拟

本文采用时均Ｎ－Ｓ方程和Ｂａｌｄｗｉｎ／Ｌｏｍａｘ代数湍流模型计算了典型拉伐尔喷管内正激波与湍流边界层干扰流场。计算与实验结果的比较表明，方法可准确地预测激波结构，激波与边界层干扰区流动特征，激波位置、激波前马赫数和壁面压力分布等。