预设堵块法检测进气道自起动能力的数值研究

在进气道内预先设置轻质堵块迫使进气道不起动,堵块被气流吹出后流道恢复畅通,为激波风洞提供了一种检测进气道自起动能力的方法。为了深入认识预设堵块方法的检测过程,将堵块简化为一个自由度的刚体运动,采用k-ωSST湍流模型,结合铺层动网格技术,对该检测方法进行了二维非定常数值模拟。在Ma_∞=5.9条件下,采用改变堵块质量的方式,获得了三种典型的检测过程。通过分析堵块在气动力作用下的运动与进气道非定常波系演化相互耦合的过程,揭示了堵塞作用产生和消除的流动机理。结果表明,堵塞时间没有显著地改变进气道的自起动能力,预设堵块方法成功检测到进气道在Ma_∞=4.9自起动。此外,建立了预估堵块运动的匀加速模型,预估的堵塞时间与数值模拟结果较为符合。在Ma_∞=5.9条件下,堵块的临界质量约为3.8g。考虑到激波风洞实验时间短暂,应选择合适的堵块。     

攻角与马赫数对进气道起动影响的可比拟性

针对高速风洞变来流马赫数的能力有限,不易获得高超声速进气道起动马赫数界限的问题,本文尝试通过改变进气道模型攻角的方法来模拟来流马赫数的变化,分析定来流马赫数变攻角与定攻角变来流马赫数两种途径下二元进气道起动性能之间的关系,以助于风洞实验获得进气道的起动马赫数界限。结果表明,在Ma∞=5.9来流条件下,进气道不起动和自起动的临界攻角分别在12°~13°和0°~1°。定来流马赫数变攻角与定攻角变来流马赫数两种途径下,进气道不起动和自起动临界所对应的内收缩段入口马赫数基本一致。对于同一内收缩段入口马赫数,当变攻角跨度小于4°时,两种路径下进气道的内部流场与壁面压力分布规律符合较好;当变攻角跨度较大时,两者的差别也增大。对于二元高超声速进气道模型,当常规风洞的来流马赫数在进气道起动边界附近时,在一定的攻角范围内,可以尝试通过攻角机构连续改变模型安装攻角的办法来模拟变马赫数引起的进气道起动特性的演变过程。     

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。     

一种进气道自起动特性检测方法

发展了一种应用于激波风洞中快速检测高超声速进气道自起动能力的实验方法。该方法通过在隔离段内预先设置轻质堵块,迫使进气道在风洞运行初期不起动,待堵块被吹出后,流道恢复畅通,进而考察进气道是否具有起动能力。实验采用高速纹影拍摄同步壁面压强测量的手段,对二元高超声速进气道的起动特性进行了研究。通过对纹影照片以及相应的壁面压强信号的分析,对所发展的自起动检测方法的可靠性进行了考核,并进一步研究了内收缩比对进气道起动特性的影响。在激波风洞中获得了进气道自起动过程以及起动／不起动双解区的流场特征和相应的壁面压强变化历程。     

椭圆内聚激波面间断化过程的激波动力学分析

针对椭圆内锥几何约束下激波的非均匀汇聚问题,利用高超声速等价原理,将三维定常椭圆内锥激波转化为二维非定常椭圆内收缩运动激波。根据激波动力学原理,发展出一种既能得到非定常激波面演变过程及参数分布,又能沿着激波面追踪扰动传播过程的“波面-扰动追踪法”。该方法不仅具有快速预测激波非均匀汇聚及其演变过程的特点,而且有助于揭示激波面从连续弯曲演变出间断的内在机理。研究表明：初始沿周向强度均匀,而几何形状偏离轴对称的椭圆内聚激波受到自身产生的非均匀“Shock-Compression”扰动,在向中心汇聚的过程中,激波强度非均匀性出现且不断加剧。由于长轴附近的激波面曲率大,激波强度增长得更快。而激波强度的非均匀性会导致扰动的聚集,使得原本连续光滑的激波面出现间断,进而将初始长、短轴附近的激波面分割为强、弱两对激波段。增大长短轴比,椭圆激波的非均匀性演化更快,激波面更早地出现间断。利用“波面-扰动追踪法”对椭圆激波汇聚过程进行分析,为解决三维定常内锥激波的非均匀汇聚问题提供了新的途径。     

二元高超声速进气道激波振荡特性实验

通过在进气道/隔离段模型出口附近设置固定的堵塞楔块提高反压,并采用高速纹影拍摄同步壁面压强测量的手段,在马赫数5.9的激波风洞中研究了二元高超声速进气道在不同堵塞度下的流动特征。研究结果表明,在较低的堵塞度下,进气道仍然能够保持起动状态,而在较高的堵塞度下,进气道出现激波振荡。上游产生的压缩波/激波在节流段的反射是出现激波振荡的重要原因之一。随着堵塞度的增加,激波振荡的频率有所升高。     

斜激波入射V形钝前缘溢流口激波干扰研究

针对内转式进气道溢流口这一关键部位所面临的三维复杂激波干扰问题,将溢流口提炼简化为V形钝前缘平板,采用激波风洞实验观测结合数值模拟的方法,研究了前体斜激波与V形钝前缘溢流口相对位置变化引起的激波干扰的演化规律。结果表明:由于V形钝前缘自身的激波干扰,其驻点前弓形激波的脱体距离较大,波后存在大范围的亚声速区。当斜激波入射在该弓形激波接近正激波的部分时,发生Edney第Ⅳa类激波干扰,该流动结构与V形钝前缘自身带来的三维激波干扰相互耦合,形成多处超声速射流区域;当斜激波入射在该弓形激波亚声速区的声速点附近时,呈现出不同于Edney第Ⅲ类激波干扰的波系结构;当斜激波入射在该弓形激波的超声速部分时,形成的波系结构与Edney第Ⅱ、Ⅵ类激波干扰类似。     

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。     

凸拐角附近激波与湍流边界层干扰的数值模拟研究

采用大涡模拟方法数值研究了来流马赫数Ma∞=3、雷诺数Reθ=2070的凸拐角附近激波与湍流边界层干扰问题。对于尖拐角和钝拐角两种情况,计算考察了激波入射到拐角下游时的流场结构、非定常分离流以及湍流统计特性。研究发现:尖拐角能够使流动产生局部集中的顺压梯度,导致壁面摩擦系数在拐角处出现峰值,因此分离点难以越过拐角向上游运动,而再附点发生前后运动。与尖拐角情况不同的是,钝拐角产生的局部顺压梯度不足以阻止分离点越过拐角,因此分离点和再附点都会发生运动。此外,尽管凸拐角产生的顺压梯度能抑制分离点附近的近壁小尺度涡结构,但在经过入射激波作用之后,近壁小尺度涡结构在再附点附近显著增强。     

一种二元高超声速进气道起动特性的尺度效应研究

对一种二元混压式进气道三维流场进行了数值和实验考察,研究了不同尺度进气道模型自起动性能的变化。结果表明,在相同来流单位雷诺数条件下,随着模型尺度的减小,进气道自起动马赫数有所提高,起动性能有所降低。同时对不同尺度模型进行雷诺数匹配,发现在相同雷诺数下,不同尺度模型的起动性能相近,表明雷诺数是影响不同缩尺模型起动性能不同的主要原因。在可获得的实验结果范围内,数值模拟所得到的自起动结果基本与之相符。此外,对实验中发现在低雷诺数下进气道反而呈现出自起动特征的异常现象进行了初步分析,通过数值模拟比较指出了低雷诺数下来流偏向层流流态,可能会导致进气道呈现一种“起动”状态。