高超声速风洞来流扰动测量及数据后处理技术研究

来流扰动对高超声速风洞中开展的实验研究,如层/湍流边界层的不稳定性与转捩实验,有直接影响。为加深对高超声速风洞中边界层转捩实验的认识,需对高超声速风洞的来流扰动进行定性与定量的测量与分析。提出一种高超声速风洞扰动模态校测方法,使用热线风速仪和皮托管压力探头对高超声速风洞自由来流进行测量。在小扰动假设前提下通过模态离解分析,并结合直接数值模拟结果,获得风洞自由来流各扰动模态的幅值。运用德国不伦瑞克工业大学马赫数6Ludwieg式高超声速风洞对该方法进行检验。实验结果显示:该风洞为典型噪声风洞,其来流扰动中声波模态高达扰动总模态的69%,涡波模态和熵波模态约各占15%。该扰动模态校测方法为高超声速风洞的流场扰动测量提供了一个思路,为基于高超声速风洞开展的实验提供了借鉴和参考。

高超声速风洞自由来流扰动热线测量技术

高超声速来流扰动的类型和幅值对边界层转捩、激波/边界层干扰等流动现象有着重要影响。然而,目前对高超声速风洞背景扰动的了解极其有限,限制了相关问题研究。针对这一现状,使用高温热线高过热比和常规热线变过热比两种方法对华中科技大学马赫数为6的高超声速风洞中的自由流扰动开展了热线测量。两种方法得到的扰动幅值相对误差不超过15%,不同雷诺数质量流量和总温脉动归一化脉动均方根值分别在0.77%~1.25%和0.1%~0.18%。结合可压缩热线扰动图的方法验证了常规风洞中声波扰动占主导地位的假设,同时测得声波扰动方向约为120°~140°,对应声源速度约为0.67~0.78倍自由流速度。此外,基于高温热线的质量流量频谱,获得了40 kHz以下自由流声波静压扰动频谱,发现10 kHz以下低频部分扰动幅值约为10-8量级,而高频部分则发生-5/3斜率的滚降。本研究证实了可压缩热线测量技术应用于高超声速风洞自由流扰动测量的可行性,得到了扰动类型以及幅值的频域分布特性。

鼓包诱导斜爆震波的数值研究

为实现低马赫数条件下斜爆震波的快速起爆,以及提高斜爆震波对来流扰动的抗干扰能力,提出了通过在诱导区内设置一个小鼓包来控制斜爆震波起爆的方案,并通过数值求解二维多组分欧拉方程研究了楔面和鼓包诱导的斜爆震波。结果表明:通过在诱导区内设置鼓包可实现斜爆震波的提前起爆;且在较宽马赫数范围内,其起爆位置相对固定。鼓包诱导的斜爆震波主要有强耦合和弱耦合两种起爆形式,起爆形式与鼓包和斜激波的相对位置有关。此外,来流扰动会使楔面诱导的斜爆震波剧烈振荡,不利于斜爆震发动机的稳定工作;鼓包的存在对来流扰动所引发的斜爆震波振荡具有一定的抑制作用。