激波/附面層干擾中激波低頻振盪機理的診斷與分析

《激波/附面層干擾中激波低頻振盪機理的診斷與分析》是依託上海交通大學，由李偉鵬擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：激波/附面層干擾中激波低頻振盪機理的診斷與分析
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：李偉鵬
• 依託單位：上海交通大學

項目摘要

激波/附面層干擾廣泛存在於高超聲速飛行器的內流和外流中，其引發的激波低頻振盪現象是研究和開發高超聲速飛行器不可迴避的關鍵問題之一,但目前的研究結果表明激波低頻振盪的產生機理尚未明確。本項目提出了利用局部人工誘導擾動的思想對激波低頻振盪機理進行診斷與分析，有望闡明激波低頻振盪的物理機理。首先通過實驗和大渦模擬相結合的方法，研究激波/附面層干擾中多尺度、非定常的流動特徵，重點研究激波低頻振盪特性；第二，在大渦模擬中，利用局部人工誘導擾動方法，分別改變幾個關鍵位置的局部非定常特徵，診斷局部非定常擾動與激波低頻振盪的關係，結合實驗及無人工誘導擾動的大渦模擬計算結果，系統分析激波低頻振盪的產生機理。第三，在對流動現象和物理機理清晰認識的基礎上，探索基於人工誘導擾動的先進流動控制技術。通過本項目的研究，可為抑制或避免激波低頻振蕩產生的不良影響提供理論依據，並為實施高效、穩定的流動控制技術提供指導。

結題摘要

激波與附面層干擾廣泛存在於高超聲速飛行器的內流和外流中，當飛行器在高馬赫數飛行時，強激波與附面層干擾常導致附面層的流動分離，並伴隨產生激波的低頻振盪現象。激波/附面層干擾中的激波低頻振盪現象是研究和開發高超聲速飛行器不可迴避的關鍵問題之一。本課題研究了激波/附面層干擾流動分離問題，揭示二維和三維激波/附面層干擾的物理機理，採用實驗研究分析了一種分流楔技術在抑制或消除激波誘導流動分離的控制作用，並數值研究了一種後台階技術的流動控制方法，為實施高效、穩定的激波/附面層干擾流動控制技術提供了指導。 在二維激波/邊界層干擾中，對激波導致的流動分析現象進行了詳細的闡述；在三維激波/邊界層干擾中，對比了與二維激波/邊界層干擾的不同，發現在三維激波/邊界層干擾中入射激波呈現弓形激波特性，弓形激波的強度隨著遠離中心對稱面而變弱。在三維激波/邊界層干擾中，指出在中心對稱面上入射斜激波具有明顯的三維特徵，反射激波具有較強的間斷，分離渦前緣的反射激波是導致邊界層湍流脈動增強的主要原因。弓形激波在展向上與邊界層干擾，誘導湍動能產生了展向上的不均勻分布，誘發的額外的湍流脈動，通過功率密度譜分析，發現在流動在激波入射點附屬檔案存在低頻震盪現象。 開展了高超聲速風洞試驗研究，在高馬赫數下證實了一種分流楔可對激波/邊界層干擾流動分離現象進行有效的抑制。研究結果表明，在無分流楔控制條件下，激波與湍流邊界層干擾，可在干擾區附近產生較大尺度的分離流動，分離流動的特點及其附近的波繫結果與大渦模擬結果相同，而在有分流楔控制條件下，由於分流楔後緣存在了較強的剪下流層與膨脹波系，增厚了入射激波的寬度，緩解了入射激波強度，入射激波與壁面干擾產生反射，但反射激波角度明顯小於無分流楔控制時分離渦頂部產生的反射激波角度，在激波干擾區附近未發現明顯的激波誘導流動分離現象，證實了分流楔的可對激波/附面層干擾流動分離現象進行有效的抑制。 提出了一種基於後台階的激波邊界層干擾流動控制技術，用於提高火箭-衝壓發動機進氣道的氣動性能、降低進氣流場畸變程度。通過的大渦模擬數值計算，驗證該技術的有效性。施加後台階流動控制後，可降低反射激波根部剪下層的渦系強度，使得反射激波形成於更加靠下游的位置且降低了高度，有利於避免反射激波與火箭-衝壓發動機進氣道流場的干擾，有利於提高進氣道的流量捕獲係數，避免反射激波導致的流動畸變。