超聲速混合層流場精細時空結構的實驗研究

《超聲速混合層流場精細時空結構的實驗研究》是依託中國人民解放軍國防科技大學，由趙玉新擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：超聲速混合層流場精細時空結構的實驗研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：趙玉新
• 依託單位：中國人民解放軍國防科技大學

中文摘要

超聲速混合層流場精細時空結構研究是當前空氣動力學研究的熱點和難點，具有重要的科學與工程意義，但目前仍有很多問題無法達成共識。通過創造性地設計超聲速混合層實驗裝置、套用高時空解析度的實驗測試技術與先進的流動圖像處理、分析和理解技術，研究超聲速混合層精細空間結構，擬序結構動力學建模、湍流參數測量與分析以及流動控制效果等問題。為超聲速剪下流穩定性、轉捩與湍流的建模與驗證提供定量化的數據支持，同時也為可壓縮條件下剪下湍流雷諾統計模式的湍流模型、大渦模擬的亞格子模型以及直接數值模擬的邊界條件研究提供重要的實驗數據。相關研究成果可用於增強超燃衝壓發動機燃燒效率、提高超聲速引射器的引射性能，改善高速飛彈氣幕冷卻視窗及高能雷射器氣動視窗的光學品質等。

結題摘要

根據超聲速混合層流場精細時空結構的研究內容，提出了基於B-Spline曲線的超聲速可調型面噴管設計方法，研製軸對稱超聲速混合層風洞，解決了層流化、壓力匹配超聲速混合層的技術難題。以軸對稱超聲速混合層為研究對象，建造了軸對稱超聲速混合層靜風洞，並開展實驗觀測與數值模擬研究。結果表明，在軸對稱效應的作用下，混合層流場與平面情況有所區別，當內部直徑較小時，若流動壓力不匹配，則混合層將呈現出非對稱發展的情況。其主要原因在於，為了保證質量守恆，環形的混合層流場在半徑變化時，應基本保持與壓力匹配相近的面積變化率，從而導致整個流管曲面的非線性變化。針對項目研究內容和本單位的實際情況，開展了超聲速氣流中的橫向混合研究。採用實驗與數值模擬方法，研究了精細流場結構和時間平均流場參數，分析了沿程混合導致的總壓損失情況。實驗結果表明，超聲速氣流中的橫向射流混合流場十分複雜，從噴孔噴出的氣態射流與超聲速來流碰撞相互擠壓產生噴前弓形激波和回流區，噴流在來流擠壓下轉彎，流動方向逐漸與來流趨向一致，由於噴流處於欠膨脹狀態，噴流在轉彎的過程中會形成桶狀激波和馬赫盤，同時受到來流剪下作用形成反轉旋渦對。在NPLS實驗研究中，發現了射流弓形激波與邊界層相互作用的三維分離現象，是一種典型的掃掠激波與邊界層相互作用的流場，對內流道的有效流動截面和沿程壓力分布具有重要的影響。基於實驗和數值模擬的結果，建立了弓形激波、流向渦與混層合的一維模型，完成混合過程中總壓損失的預估，並進行了相關數值模擬和實驗驗證。