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。     

S形进气道锤击波荷载特性分析

利用基于改进的延迟分离涡模拟（IDDES）方法,对亚声速和超声速来流条件下某S形模型进气道进行了非定常计算,研究了发动机喘振所产生的瞬时高压波形对锤击波传播规律的影响.结果表明:锤击波产生后沿进气道迅速向前传播,运动过程中锤击波的运动速度基本保持不变,但强度不断增强.同时受气流离心力的影响,S形进气道弯曲段半径较大一侧壁面受到的锤击波气动荷载值更大.发动机喘振所产生的瞬时高压的加载梯度增加使得锤击波传播速度及强度增强,而压力卸载方式对锤击波强度的影响不明显.在亚声速和超声速来流条件下,增加瞬时高压峰值均使得锤击波荷载强度显著增强,并近似符合二次函数分布规律,而且超声速来流条件下锤击波强度较亚声速来流更强.      

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。     

实体鼓包对超临界翼型的流动控制和减阻研究

采用数值模拟的手段,研究了实体鼓包对超临界翼型的流动控制和减阻作用。超临界机翼在非设计状态时由于波阻增加导致总阻力增大;在激波的波脚位置有效地使用实体鼓包,可以减小激波阻力;在中高升力系数情况下,使用实体鼓包可提高升阻比。     

船尾形状对旋成体马格努斯效应的影响

尖头旋成体和船尾形状是子弹、炮弹及火箭弹等抛射体上常用的布局形式。研究表明船尾布局具有减小底部阻力、增大射程的作用,但此时旋成体的马格努斯效应增大,对运动稳定性产生不利影响。为了解释这种流动现象,对三维旋转弹流场进行了数值模拟,对从亚声速到超声速下的旋成体马格努斯力和力矩进行了分析,重点对标准形状和船尾形状两种底部进行了比较。结果表明,相对于标准形状,在所有来流下船尾形状都起到了增大马格努斯效应的作用,并且马格努斯力和力矩与船尾角成正比。为了揭示其流动机理,选择代表性计算状态对两种布局马格努斯力矩系数分布、边界层厚度分布和边界层位移厚度分布进行了对比分析,结果表明,在亚跨声速下船尾马格努斯效应由绕拐角的加速流动引起,使当地压力系数幅值增大;在超声速下船尾马格努斯效应由船尾段的气流膨胀引起,使旋成体左右两侧的边界层位移厚度畸变增大。上述两种效应都使马格努斯力矩增加,对于亚声速流动来说,该效应发生在柱段与船尾段连接位置;对于超声速流动来说,该效应发生在连接点以后的船尾段上。当来流速度在声速点附近时,上述两种效应都可能发挥作用,使船尾形状的旋成体马格努斯效应大幅增加。     

电弧放电等离子体激励控制超声速压气机叶栅激波/边界层干扰仿真研究

为研究电弧放电等离子体激励对超声速压气机叶栅激波/边界层干扰的控制作用,建立了模拟等离子体激励作用效果的唯象学模型,进一步以ARL-SL19超声速叶栅为对象,通过数值仿真研究了电弧放电等离子体与叶栅通道内部流动的相互作用及其对叶栅流动损失的影响。结果表明:等离子体唯象学模型能够较好模拟电弧放电等离子体诱导产生冲击波的气动特性。电弧放电等离子体激励对叶栅通道内部流动主要具有三种作用效果:在放电区,注入的热量会产生阻塞效应,增加近壁面气流的流动损失;在激波/边界层相互作用区,能够改变激波系结构,减小激波损失;在尾迹区,冲击波会诱导产生脱落涡。     

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。     

等离子体合成射流对钝头激波的控制与减阻

为了验证等离子体合成射流对超声速流动的流动控制和减阻效果,在考虑热完全气体效应的情况下,工程拟合等离子体热力学属性和输运系数,利用能量源项模型对超声速平板和球头等典型流场结构进行了数值模拟,并取得了与实验较为一致的结果。研究结果表明：对于马赫数为2的超声速平板流动,等离子体合成射流能有效干扰边界层的发展,并诱导产生一系列大尺度结构;对于马赫数为3的球头流场,等离子体合成射流能显著改变激波脱体距离与球头的阻力特性;在放电后第1个周期内,合成射流能使球头平均阻力降低6.3%,而在射流峰值情况下使阻力降低32.0%,激波脱体距离增加2倍,实现了激波控制和流动减阻的预期效果。     

涡轮叶栅超声速流场流动特征与气膜冷却特性

应用shear strain transport(SST) k-ω 两方程湍流模型,对超声速涡轮叶栅通道内气膜冷却特性进行数值研究,得到不同气膜孔倾角和吹风比下叶栅通道内流场流动特征以及气膜冷却效率的变化规律.在激波入射点附近的气膜射流能够向分离区边界层中补充动量,克服逆压力梯度,有效改善由于激波引起的局部过热.亚声速流动状态下的气膜入射角度对冷却效率的影响能够在较大吹风比下得以体现,而超声速主流状态下,气膜冷却效率与入射角度基本无关,说明亚声速的气膜冷却射流对超声速主流的穿透力要弱于对亚声速主流的穿透力;超声速主流条件下,在激波入射位置的气膜冷却效率要高于激波入射位置下游的气膜冷却效率,这与气膜孔出流在当地的湍流度有关.      

超声速边界层抽吸孔隙内流场结构分类

由于流体处于超声速和亚声速状态时,其性能有着显著的差异,这种现象同样存在于超声速边界层抽吸孔隙内。为了对超声速边界层抽吸孔隙内流场结构进行分类,主要通过数值计算的方法,对超声速边界层抽吸孔隙内流体的流动状态以及不同流动状态时抽吸孔隙内流场结构对抽吸腔反压的响应特点进行了研究,同时也对数值计算方法做了试验验证。数值计算采用基于有限体积法的二阶迎风格式来离散二维可压N-S方程,湍流模型采用标准k-ε模型,通过改变抽吸槽宽度D的方法来实现抽吸槽内流体处于不同的流动状态。根据抽吸槽内流体的流动状态的不同,将超声速边界层抽吸分为亚声速型,临界声速型和超声速型。分别对不同抽吸腔反压时三种抽吸类型流场结构变化特点以及声速流量系数Q变化特点进行了分析,发现不同抽吸类型对抽吸腔反压的响应规律存在显著差异。当δ/D8.6时,即对于亚声速型抽吸而言,Q随δ/D减小而线性增加,且Q随p_c/p_0减小而减小。当δ/D8.6时,即对于超声速型抽吸而言,Q随δ/D减小而迅速增加。另外,随p_c/p_0增加,Q先保持不变,当p_c/p_0增加到0.225时,Q开始减小,并且当p_c/p_0增加至0.675后,Q减小速率发生了突变。分析原因在于超声速型抽吸,抽吸腔反压向抽吸槽内的传递受到抽吸槽内分离区以及激波的阻碍,而对于亚声速型抽吸,抽吸腔反压能够直接传递至抽吸槽内,进而影响边界层抽吸。     

连载:兰利研究中心的创新历程(之五)层流控制技术的应用研究

当一架飞机在大气层内飞行时,由边界层产生的摩擦阻力会增加飞机的燃油消耗。一架常规亚声速运输机的表面摩擦阻力大约会消耗所需燃油量的一半,而对一架未来超声速运输机而言,表面摩擦阻力也有可能会消耗1/3以上的燃油。通过层流控制技术减小边界层摩擦阻力,对于提高民用运输机的经济性有极大的诱惑力。     

突跃型与平滑型斜爆震波起爆机制数值模拟

采用带有化学反应的Euler方程,对突跃型与平滑型2种形态的斜爆震波(ODW)在起爆机制和结构特点等方面的差异进行了研究.结果表明:斜激波(OSW)后是否存在亚声速区是判定斜爆震形态的依据.当波后火焰抬升斜激波面使得亚声速区存在时,横向激波与三波点结构就会出现并形成突跃型斜爆震.当波后所有区域皆为超声速区时,波后火焰燃烧无法影响到上游激波面,则会形成平滑型斜爆震.通过斜激波关系式给出了横向激波形成所需的临界斜激波角度,只有当斜激波角度大于此临界角度时才能形成突跃型斜爆震波,反之则形成平滑型斜爆震波.      

连续式跨声速风洞与压缩机的气动性能匹配

结合连续式跨声速风洞运行特点和轴流压缩机特性,详细分析了风洞在不同运行工况下与压缩机的气动性能匹配特性。结果表明:在亚声速工况下,洞体阻力变化引起压缩机工作点连续变化且远离喘振区,压缩机运行安全性较高;在超声速工况下,洞体阻力小幅度的变化不影响压缩机工作点,压缩机运行较为安全,但洞体阻力大幅增大,可导致试验段超声速流动突变至亚声速,从而引起压缩机喘振和激波对试验段模型的冲击;压缩机设计时需要预留充足的压比裕量及较为合理的流量喘振裕度。     

CHN-T1标模的数值计算及气动特性研究

基于"第一届CHN-T1标模CFD可信度研讨会"的相关计算安排,采用CFL3D求解器结合组委会提供的结构网格进行CHN-T1标模的气动特性计算。对比发现CFL3D求解器的SST湍流模式相对SA模式具有更好的网格收敛性。对标模的抖振特性进行了分析,发现抖振起源于机翼中段的激波/边界层干扰,进入抖振状态后当迎角继续增大,激波将持续增强,同时外翼段的后加载减小,使得低头力矩下降,操纵特性变差。对静气弹效应进行了分析,发现该效应主要影响了变形较大位置的升力系数以及激波强度。大雷诺数下机翼截面压力分布后加载包围的面积增大,机翼上表面超声速区的吸力平台有所下降。     

煤油在超声速气流中非定常横向喷射的实验观察

本文目的是研究煤油在超声速气流中非定常横向喷射问题,并与静止和亚声速气流中的结果进行对比。改造普通油嘴并采用单次高压燃油喷射系统,得到不同延时的流场阴影照片。结果表明：在超声速气流中,射流柱破碎是由迎风面的表面波引起的,破碎点位于表面波的波谷。雾化过程过分四个区域。射流激波由近射流柱的迎风面,并在人壁反射,非定常喷射的波系演化复杂。煤油在亚声速气流中喷射,不存在射流激波,破碎点沿射流柱上移,穿透深     

验证灰尘气体中驻点热流率增大机理的方法

笔者介绍了一种验证灰尘气体中驻点热流率增大机理的方法。在灰尘负荷率相同，微粒速度相近条件下完成激波管2e区实验气流分别为亚声速与超声速的实验，实验结果表明，邻居为气流中驻点流率增大只与灰粒速度有关。     

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…

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。     

V形前缘对激波入射边界层流动影响的数值模拟与分析

为指导V形溢流唇口下游的进气道内部流动分析,采用数值模拟开展V形尖前缘对二维斜激波入射平板边界层流动的影响研究。以气流偏转角6°的二元楔面为基准激波发生器,设计了展向气流收缩角α(0°~60°, 0°对应二元构型)的V形前缘构型,开展对比研究。结果表明,V形前缘构型使得激波入射位置沿展向不均匀、流动具有明显三维特征,并且干扰区壁面压强上升、分离区尺度明显增大。在α=0°~60°范围内,干扰区流动的不均匀程度、分离区尺度随α增大单调增加。进一步分析表明,V形前缘构型干扰具有中间平直、侧边斜掠的耦合入射特性,体现为对称面壁面压强符合自由干扰理论,侧边斜掠入射区参数符合斜掠干扰的锥形流特征。对比二元与α=45°构型的无粘模拟结果,V形前缘会诱导展向两侧对称的斜掠激波、并在对称面相互干扰产生平直的“桥”激波,这使得激波入射位置沿展向不均匀并偏向下游。其中对称面处平直入射激波压升比(2.49)高于二元构型结果(2.24),侧边斜掠激波强度与二元构型基本一致。这些因素综合导致V形前缘构型的分离尺度增大。     

支板喷射超燃冲压发动机激波/边界层相互作用研究

为探究高超声速条件下激波/边界层相互作用所诱发的复杂流动,以支板喷射超燃冲压发动机为研究对象,基于Fluent?计算平台并结合明渠流动模化实验,研究了不同边界条件超声速流动过程激波/边界层相互作用下的流动分离、再附以及总压损失等复杂流动特性.结果表明,随着入口马赫数增加,激波前后压比增大,导致再附激波增强;激波/边界层...