基于彩色纹影的EdneyIV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EdneyIV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60Vs,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,EdneyIV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EdneyIV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EdneyIV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。     

激光等离子体点源减阻技术中入射能量对气动阻力的影响

数值模拟了来流马赫数为5时的圆球绕流冷流场,以及来流与头部驻点附近注入激光能量而产生的等离子体相互耦合形成的流场的演化过程。计算结果表明:施加局部能量点源能够改变原有的弓形激波结构,使其变为斜激波,从而减小气动阻力;气动阻力随入射激光能量的增大而逐渐减小,当入射激光能量为1.1 J时,气动阻力减小的百分比高达40%。     

喷管内二次喷射的激波测量与分析

研究了不同喷射位置、喷射马赫数和喷射角度的气体二次喷射混合流场的弓形激波形状。在二维矩形喷管内进行二次喷射试验,用纹影仪拍摄得到激波照片。将由照片换算得到了激波半径与用爆炸理论计算的结果相比较,证明爆炸波解在计算激波半径方面提供了与实验较符合的结果。     

Detached-eddy simulation of supersonic flow past a spike-tipped blunt nose

Space vehicle in atmosphere travels mostly at supersonic speed and generates a very strong bow shockwave around its blunt nose. Oblique shock and conical separated flow zone generated by a forward disk-tip spike significantly reduce the drag by reducing the high pressure area on the blunt nose. This study employs improved delayed detached eddy simulation to investigate the characteristic flow structures around a spike-tipped blunt nose at Mach number of 3 and Reynolds number(based on the blunt-body diameter) of 2.72x10~8. The calculated time-averaged quantities agree well with experimental data. Characteristic frequencies in different flow regions are extracted using fast Fourier transform. It is found that two distinct instability modes exist: oscillation mode and pulsation mode. The former is related to the foreshock/turbulence interaction with nondimensional frequency at around 0.004. The latter corresponds to the interaction between turbulence and shock structures around the blunt nose, with a typical coherent structure shedding frequency at 0.092.     

等离子体气动激励控制超声速边界层分离的实验研究

等离子体气动激励与超声速气流相互作用已成为高速流动控制领域的研究热点。激波与边界层相互作用现象广泛存在于超声速飞行器之中。本文进行了等离子体气动激励控制压缩角区和激波诱导边界层分离的实验,通过流场纹影显示和壁面静压测量,研究等离子体气动激励如何影响激波、激波如何影响边界层特性的科学问题。实验结果表明:施加毫秒量级表面电弧放电能够前移压缩角区的诱导斜激波,使分离区后移,分离区域增加,但激波强度减弱,流场总压增加;施加微秒量级表面电弧放电能够抑制激波诱导边界层分离,使分离区减小,流场总压减小。基于实验结果,认为毫秒量级表面电弧放电激励控制超声速气流的主要机理为放电过程的焦耳热效应;微秒量级表面电弧放电激励控制超声速气流的主要机理为焦耳热效应和冲击波效应共同作用。     

Recent advances in the aerothermodynamics of spiked hypersonic vehicles

Among a variety of design requirements, reducing the drag and aeroheating on hypersonic vehicles is the most crucial one. Unfortunately, these two objectives are often conflicting. On one hand, sharp slender forebodies design reduces the drag and ensures longer ranges and more economic flights. However, they are more vulnerable to aerodynamic heating. On the other hand, blunt forebodies produce more drag, however, they are preferred as far as aeroheating is concerned. In addition, in the context of hypersonic vehicles, blunt geometries are preferred over slender ones for practical implications such as higher volumetric efficiency, better accommodation of crew or on-board equipment.In principle, a blunt vehicle flying at hypersonic speeds generates a strong bow shock wave ahead of its nose, which is responsible for the high drag and aeroheating levels. There have been a number of efforts devoted towards reducing both the drag and the aeroheating by modifying the flowfield ahead of the vehicle's nose. Of these techniques, using spikes is the simplest and the most reliable technique. A spike is simply a slender rod attached to the stagnation point of the vehicle's nose. The spike replaces the strong bow shock with a system of weaker shocks along with creating a zone of recirculating flow ahead of the forebody thus reducing both drag and aeroheating.Since their introduction to the high-speed vehicles domain in the late 1940s, spikes have been extensively studied using both experimental facilities and numerical simulation techniques. The present paper is devoted to surveying these studies and illustrating the contributions of the authors in this field. The paper also raises some of the areas in the field that need further investigations.     

超声速气流中横向煤油射流的数值模拟

为了对超声速气流中液体横向射流进行数值模拟,采用Eulerian Lagrangian方法描述气液两相流动现象,用随机轨道模型追踪液滴的运动历程,并考虑气流可压缩性、流场不均匀性及液滴变形对液滴运动的影响,开发了相应的计算程序。计算结果发现,液体射流与气流之间存在着强烈的相互作用,液滴在进入气流中不久就破碎成很小的子液滴,受煤油液雾的影响气流速度、温度急剧下降,同时在喷孔上游出现一道弓形激波。与液雾结构的纹影图像和液雾穿透的实验结果对比显示,数值计算结果基本合理。     

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。     

冲击射流的彩虹纹影实验研究

超声速冲击射流在短距、垂直起降飞行器（S/VTOL）以及火箭发射等方面应用广泛,但是伴随着流场与噪声等诸多方面的问题。要研究这一类问题,必先研究这一类超声速流动的波系结构。文章利用彩虹纹影测量系统,对不同距离不同压比的冲击射流进行实验研究,得到了清晰的彩虹纹影实验结果,细致地呈现了冲击射流的波系结构。基于实验结果,对三种不同结构的冲击射流的波系结构进行了详细分析。发现喷嘴与挡板距离较大时,形成的射流结构与自由射流相似,壁面附近的射流区域不明显。随着距离减小,冲击射流出现壁面冲击区附近射流比较剧烈的现象。距离进一步减小时,出现滞止泡等结构,滞止泡的形状与压比相关。此外,实验表明冲击射流形成的马赫盘大小、形状与来流压比相关。     

超音速细长梯形翼背风面流型

给出了前缘后掠６５°、双弧形剖面的细长梯形翼背风面流动显示结果。实验Ｍａｃｈ数为１．１０,１．５３,２．５３,３．０１和４．０１,攻角范围为５°～２５°。应用蒸汽屏、纹影和油流技术拍摄了空间和表面流型照片。蒸汽屏显示表明：在机翼背风面三角形区域的空间流型随法向攻角αＮ（在垂直于前缘的平面内流速与弦线间的夹角）和法向Ｍａｃｈ数ＭａＮ（来流Ｍａｃｈ数在垂直于前缘平面内的分量）变化,并可在αＮ和ＭａＮ为坐标的平面上划分出７种流型存在的区域。侧缘区有侧缘分离涡形成;后缘有尾涡拖出。从纹影照片与横截面上的蒸汽屏照片对照可获得机翼锥面激波位置随Ｍａｃｈ数的变化;以及激波－诱导分离线位置随Ｍａｃｈ数和攻角变化曲线。机翼表面油流谱显示出了主再附线、二次分离线、二次再附线和侧缘涡区。显示出的流型与其他有关实验和数值计算结果比较符合得很好     

对转压气机外伸激波对叶顶泄漏流影响

摘要:为了揭示对转压气机下游转子外伸激波对上游转子泄漏流的影响规律,针对上游转子叶顶间隙分别为0.2、0.5、0.8 mm的对转压气机开展了非定常数值模拟研究。研究发现:受下游转子外伸激波掠扫影响,上游转子尾缘附近压力面会形成弱压缩波,且随上游转子泄漏流增强而逐渐减弱;而该外伸激波在上游转子尾缘附近吸力面,会形成与型线切向相垂直的较强压缩波,且其位置基本不受叶顶间隙大小影响;外伸激波使上游转子尾缘附近吸、压力面压差增大,叶顶泄漏流增强,进而导致其损失增大;随着叶顶间隙增大,上游转子叶尖区弦长前半段压力波动的频率,由通道激波转为叶顶泄漏流主导,且呈现减小的趋势,而弦长后半段压力波动的频率主要由外伸激波主导,且基本不变。      

超燃冲压发动机唇口气动热计算研究与分析

采用数值模拟方法,对超燃冲压发动机进气道唇口的气动热进行了计算和分析.依据唇口与前体激波所处相对位置的不同,分三种情形进行了计算研究.结果表明,三种情形下,进气道前缘驻点热流均大于头部.通过算例验证,证明该方法和结论的正确性.研究表明,激波干扰以及前体激波压缩后超声速来流使唇口热流增大,热防护和结构设计时应当予以充分考虑.      

超声速气流中乙烯点火试验与影响因素

对超声速气流中的非预混乙烯燃料扩散点火过程进行了试验研究,采用高速摄影、纹影技术获得了点火过程的火焰成功传播与失效图像和激波动态演化过程。基于点火前喷注混合流场的NPLS（纳米粒子散射）、PIV（粒子图像测速）试验数据和大涡模拟结果对影响点火结果的关键因素进行了研究,分析了点火过程的燃料分布、回流区尺寸、激波串作用、气动壅塞效应等关键流动特征对火焰传播过程和点火失效模式之间的影响关系。研究结果表明,点火过程的激波串前移过程会对燃料的分布造成影响,并进而影响凹腔内的燃料质量分数分布;凹腔角回流区是初始火焰形成的关键区域,点火能量在该区域累积建立凹腔角回流区火焰后,分别扩展形成凹腔驻留火焰,并向下游输运、掺混燃烧,建立预燃激波串,形成点火过程的正向压力反馈;凹腔内燃料分布受喷注位置、喷注压力的影响,采用凹腔内主动喷注的方法能够主动调节凹腔内的燃料分布,有助于初始火核的形成,能有效避免点火过程中由于压力反馈对燃料分布影响造成的熄火现象。      

激光引致水诱导空气击穿所获无约束流场演化过程的实验研究

流场演化过程是揭示激光推进机理的重要研究内容之一。利用纹影系统和PCO-HSFC 高速相机,首次拍摄了自来水诱导CO₂激光击穿空气产生的激波向空气和水中的演化过程。阐述了产生两次气蚀空穴的原因：初始时刻产生的空穴为激波作用于水面所致,第二次空穴出现在相机被触发后约8 μs 时,是激光烧蚀水蒸气作用于水面所形成的低压区。实验结果表明：击穿后流场向激光入射方向（空气中）演化较快,激波初速度较大,约为6 km/s;流场向水中演化相对较缓,激波初速度约为3.33 km/s。两者都服从指数衰减,分别在约73.368 μs 和41.649 μs 时衰减到声速。研究结果对于把水作为工质应用于激光推进有一定意义。     

导流块深度对楔形空腔内激波聚焦过程的影响

为研究导流块深度对楔形空腔内径向入射激波聚焦过程的影响,对导流块深度分别为0、5、10、15mm的楔形空腔内激波聚焦的过程开展了实验和数值模拟研究。用高速CCD(charge coupled device)拍摄了楔形空腔中气流流动的纹影照片,用动态压力传感器测量了聚焦过程中流场的压力变化,并用高精度的数值方法对该过程进行了数值模拟研究。通过比较不同导流块深度下激波反射聚焦的过程发现:导流块深度越深,前导激波和压缩波两者聚焦的时间间隔越小,因此增大了激波聚焦的强度和空腔底部的压力峰值。导流块深度会影响二次激波形成的时间和发展程度,从而影响激波聚焦过程中楔形空腔内流场的紊乱程度。      

强激光与高超声速球锥流场干扰数值模拟研究

本文采用有限差分技术，数值求解带能量源项与空气11组分化学动力学模型的轴对称粘性流体力学方程组，采用类氢原子理论模型计算空气对激光的吸收系数，建立了模拟强激光与超声速钝体流场干扰的计算软件，得到了高能浙江与超声速球锥流场干扰数值模拟的结果。     

Trajectory Analysis of Fuel Injection into Supersonic Cross Flow Based on Schlieren Method

Trajectory analysis of fuel injection into supersonic cross flow is studied in this paper. A directly-connected wind tunnel is constructed to provide stable supersonic freestream. Based on the test rig, the schlieren system is established to reveal the fuel injection process visually. Subsequently, the method of quantitative schlieren is adopted to obtain data of both fuel/air interface and bow shock with the aid of Photoshop and Origin. Finally, the mechanism based on two influential factors of fuel injection angle and fuel injection driven pressure, is researched by vector analysis. A dimensionless model is deduced and analyzed. The curve fitting result is achieved. The relationship between the data and the two influential factors is established. The results provide not only the quantitative characteristics of the fuel injection in supersonic cross flow but also the valuable reference for the future computational simulation.     

高马赫数来流条件下斜激波与流向涡对相互作用

针对斜激波入射流向涡对形成的复杂流动干扰现象,在来流马赫数6条件下,利用后掠斜坡式涡流发生器生成流向涡对,采用数值模拟结合激波风洞实验,研究了斜激波与流向涡对相互作用引起的激波变形和旋涡演变。结果表明,斜激波与流向涡对相互作用的剧烈程度大致分为强、中、弱三种。在强相互作用下,激波面向上游凸起的程度最剧烈,呈现类“T”字型特征,其对称面处接近于一道正激波,波后出现回流区和局部流动滞止,使得流向涡对发生破碎;在中等相互作用下,对称面处存在局部正激波,但没有出现回流区;在弱相互作用下,不再出现局部正激波。进一步地分析发现,斜激波与流向涡对相互作用产生的流向涡对破碎现象,不符合经典的激波作用下单个流向涡破碎理论的预测。采用流向涡对对称面处的气流参数,对经典的流向涡破碎理论进行修正后,能够预测本文流向涡对在斜激波作用下是否发生破碎。本文为掌握激波作用下流向涡对破碎现象的规律,提供了重要参考。     

高超声速流场对自由流扰动波响应及边界层扰动波演化

采用高阶精度有限差分方法直接数值模拟了来流慢声波作用下的钝锥高超声速绕流瞬态流场,分析了自由流扰动波与流场的相互干扰,并应用Fourier频谱分析了边界层扰动波时域和空域演化.结果显示:弓形激波出现连续的“∽”变形,初始扰动被显著放大,边界层内外扰动模态存在明显差别.从空域(沿流线)演化来看,在球头附近低频扰动为主导模态,出了球头区,总扰动模态中的低频和高频成分比例迅速转变,高频模态成分显著地增大.至流场下游,大部分低频分量衰减,或者不再增长,边界层内仅存在特殊频率的不稳定波快速增长.从时域演化来看,比起其他模态,主导模态的发展对上游激励的依赖更大.无论时域还是空域演化,都存在模态竞争现象.      

马赫数6柱-裙激波/边界层干扰直接模拟

高超声速激波/边界层干扰比超声速工况下具有更强的可压缩效应,再附之后会形成极高的局部力/热载荷,严重影响飞行器飞行安全。而激波/湍流边界层干扰区附近流动的三维特性使得流动更加复杂而难以预测。采用直接数值模拟对高超声速条件下的柱-裙激波/湍流边界层干扰进行了详细研究,特别是对Görtler涡结构对分离泡、物面压力和热流造成的展向差异开展了定性和定量分析。研究发现,干扰区附近的分离泡结构呈现出明显的三维效应,且Görtler涡展向分离位置截面的分离泡要明显小于再附位置,而这两个截面上分离泡的运动基本同步,没有明显的延迟或超前现象。物面压力和热流在展向出现显著的不均匀性,展向再附位置的平均压力和热流要比展向分离位置分别高13%和16.2%,脉动压力和热流比展向分离位置分别高28%和20%。截面流向速度特征正交分解结果显示两个位置上的能量都集中在剪切层附近,并且展向再附位置上低频模态占有更高的能量。在采用模态重构流场分析分离区面积发现,展向分离位置重构误差更小,而展向再附位置上的重构误差收敛更快。