气膜冷却对激波与边界层相互作用影响的数值模拟

针对跨声速平面叶栅中气膜冷却对流场的影响,采用数值模拟的方法,分析了激波和边界层的相互作用及引入气膜冷却之后三者之间的影响。结果表明,由于激波形成的逆压力梯度导致边界层出现分离现象,在引入冷却射流以后被部分抑制,流场细节显示在原分离处新形成了两个方向相反的分离旋涡。保持冷却条件不变,随着孔间距的减小,边界层分离现象被抑制的效果更加明显,平面叶栅热力损失系数逐渐减小。当孔径和孔间距之比达到0.67时,相对于没有引入气膜冷却的情况,热力损失系数降低了13%。冷气流量对射流和主流相互作用流场影响显著,冷气出口局部超声速区域显著增大流场损失,降低冷却效果。

激波/湍流边界层干扰中的自适应控制技术

从激波/湍流边界层干扰机理以及流动控制的迫切需求入手,从自适应涡流发生器、自适应鼓包、自适应微射流以及自适应次流循环四个方面对激波/湍流边界层干扰中的自适应控制技术研究进展进行了总结。分析认为,结合AI技术发展自适应流动控制技术,加速控制方式智能化,可作为新一代高超声速飞行器宽速域飞行的重要技术手段。具体来说,就是通过调节外加激励对高超声速飞行器不同区域实现局部流动加/减速、气动热防护、气动控制等功能,根据流场参数建立控制反馈回路,自适应调整局部流场结构,以满足工程实际需求。

面向内流的激波/边界层湍流模型数据同化及应用

为研究压缩拐角激波/边界层干扰问题和机器学习方法在湍流模型参数辨识中的有效性,提出一种面向内流的激波/边界层湍流模型数据同化方法,以Kriging代理模型传播参数不确定量化过程,基于贝叶斯框架构建似然函数作为评判标准,最后利用粒子群优化算法近似获取参数的最大似然估计并进行参数验证。结果表明,通过校准大角度(24°)压缩拐角获取的湍流模型参数,可以应用到相同条件下相对较小的小角度(20°,16°和8°)压缩拐角,获取的壁面压力、摩阻系数和速度剖面均与试验值基本吻合。在Ma=2.85下校准的壁面压力,均方根误差由60.29%下降到16.56%。将大角度下获取的参数应用到Ma=2.9和不同的入射边界层厚度的条件下,获取的壁面压力和速度剖面仍与试验值基本吻合,验证了小范围马赫数内湍流模型参数的适用性。

二维高超声速进气道内激波-边界层相互作用

在多级压缩二维高超声速进气道中,激波边界层相互作用在前后两级压缩面交界的折角处会诱发壁面流动的分离,导致分离泡的产生.压缩面折角位置产生的激波与唇口处边界层相互作用,同样会诱发明显的壁面流动分离.这些分离现象均存在较为明显的动态特征和空间结构上的不稳定性,对进气道内流场及起动性能存在一定的影响.这里主要利用改进的高速纹影系统对二维二级压缩进气道内的流动结构进行观测及分析,揭示了分离流动的细节结构以及演化过程.在此基础上,采用改变壁面粗糙度以促进边界层转捩、壁面添加扰流器促进边界层内掺混流动等措施改变边界层流动状况,观察边界层控制对分离流动的影响,并取得了初步的结果.

激波/边界层相互作用诱导的激波风洞气体污染问题

应用多组分NS方程和频散可控耗散格式(DCD)计算了爆轰驱动激波风洞中反射激波/边界层/接触面的相互作用过程,分析了驱动气体与试验气体在壁面射流作用下的掺混机制及其对风洞试验时间的影响.为了延长风洞的试验时间,提出在风洞贮室内增设环形隔板,以隔离壁面射流,延长风洞试验时间的方法.计算结果表明:环形隔板确实可以限制驱动气体与试验气体的过早掺混,显著增加激波风洞的有效试验时间.

一种抑制激波-边界层相互作用的新型无源被动控制

为了探索一种抑制激波-边界层相互作用的新型无源、被动控制方法,采用有限体积法计算流体力学程序,分别对压缩拐角和激波入射平板两种典型流动的附面层分离进行了无源被动控制的数值研究。数值结果表明,新型无源被动控制方法消除了20°压缩拐角流动所产生的分离泡;对激波入射平板所诱导的附面层分离,采用的自适应无源控制方法可将分离区长度减小为无控制时的58%、总压恢复可比无控制时提高7.2%、x=0.85m截面最大回流速度较无控制时减小了69.3%。从而验证了无源被动抑制控制激波-边界层相互作用的可行性。

适用于激波/边界层相互作用的线性涡粘性湍流模式

本文选择了两个激波 /边界层相互作用诱导分离的跨声速问题 (轴对称圆弧突起和二维管道突起 ) ,采用五个有代表性的湍流模式 (BL模式 ,JL k-ε模式 ,k-ω模式 ,SST模式和双尺度模式 ) ,通过将数值计算结果和实验结果进行比较 。

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。

应用于激波/边界层相互作用的非线性湍流模式

选择8个近年来有代表性的非线性湍流模式,研究2个跨声速激波/边界层相互作用问题.采用的非线性湍流模式包括4个二阶模式和4个三阶模式. 2个跨声速激波/边界层相互作用的流动是轴对称圆弧突起绕流和二维管道突起流动.通过数值计算结果和实验结果的比较,对有关的非线性湍流模式进行评估和分析.计算结果表明,非线性模式的模化系数与平均流动应变不变量以及涡量不变量有关,反映了湍流的各向异性,比线性模式优越得多.

双燃式(超燃)冲压发动机中激波与边界层之间相互作用对内部流动的影响

在激波风洞中研究了激波与边界层之间相互作用对双燃式（超燃）冲压发动机进气道和燃烧室冷态内部流场的影响，实验发现在进气道中，激波与边界层之间的相互作用产生了两侧均为超声速流的滑移面。实验结果表明内涵道（亚燃室）中流动状态的变化与激波－边界层之间相互作用密切相关。

应用于激波/边界层相互作用的非线性与多尺度湍流模式

论文选择近年来有代表性的两个非线性湍流模式和两个双尺度湍流模式 ,研究二维管道突起跨声速激波 /边界层相互作用问题 .通过数值计算与实验结果的比较 ,对有关的非线性湍流模式和双尺度湍流模式进行评估和分析 .计算结果表明 ,非线性模式较好地反映了湍流的各向异性 ,结果明显优于线性模式 ;双尺度模式在一定程度上反映了湍流能谱输运的非平衡特征 ,相对于单尺度线性模式有所改善 ,但不能反映湍流的各向异性 .

对称交叉激波和湍流边界层相互作用的数值研究

针对两种双尖鳍外形的对称交叉激波与湍流边界层相互作用,采用N-S方程和两种湍流模型进行了计算。研究了网格收敛性、鳍的角度和湍流模型对壁面压强、Stanton数和壁面摩擦力线的影响。弱相互作用的计算结果较好,强相互作用的壁面压强和摩擦力线的计算结果与试验吻合较好,而Stanton数的计算结果较差,峰值高达试验的2.5倍左右。随着鳍的角度的增加,壁面压强和Stanton数的分布从单调分布发展为M型分布,两者的峰值不在相同的位置。湍流模型对壁面压强和壁面摩擦力线影响很小,对Stanton数计算的影响很大,SST模型比BSL模型表现好一些。

双垂直楔交叉激波与转捩边界层干扰

针对超声速双垂直楔构型产生的交叉激波与转捩边界层干扰现象,结合风洞试验与数值模拟进行了深入研究。试验在中国空气动力研究与发展中心Φ600 mm脉冲燃烧风洞中开展,来流马赫数3.0,单位雷诺数2.1×10^(6)m^(-1),获得了流场纹影、壁面压力和壁面热流。结果表明:受交叉激波逆压梯度作用,层流边界层在激波交汇附近分离,并在干扰区迅速转捩;在上游安装斜坡型涡流发生器或粗糙带,诱导边界层在干扰前转捩为湍流,分离区被有效抑制,干扰区热流明显下降(热流峰值下降超过25%)。数值模拟和风洞试验得到的激波结构、壁面压力吻合良好,但壁面热流计算值明显大于试验值。对比转捩模型和湍流模型计算结果发现:明显偏高的湍流黏性系数是RANS方法在非分离区过高预测干扰区热流的主要原因。

压缩拐角强激波边界层干扰直接数值模拟研究

激波/湍流边界层干扰是高超声速飞行中常见的流动现象,平板-压缩拐角存在于飞行器进气道、翼舵等,是研究激波/湍流边界层干扰的标准构型。采用直接数值模拟方法研究了马赫数6.0、40°压缩拐角的高超声速强激波/湍流边界层干扰问题。在上游湍流边界层内,近壁流动以高低速条带结构为主;当流动进入干扰区后,流向条带消失,同时形成具有三维特征的流动结构。在强激波作用下,分离长度超过10个边界层厚度。流动再附后,壁面摩阻、压力及其脉动峰值分别达到上游湍流边界层的8.9、36和124倍。干扰区内湍动能强度显著增加,其峰值是边界层峰值的6.4倍。研究发现激波运动、分离剪切层是湍动能强度增加的主要原因。

激波和边界层相互作用区域局部烧蚀的理论计算方法

激波和边界层相互作用区域的局部烧蚀计算是极为复杂的非定常湍流分离流动条件下的烧蚀分析问题。本文将这一复杂的物理化学和气体动力学过程简化为二维前向台阶分离区的准定常烧蚀问题来处理。将偏微分的控制方程组简化为超越代数方程组。提供了一个有一定精度的理论分析方法、理论计算结果与实验数据相当吻合。

跨声速激波边界层相互作用的被动控制

运用激波管风洞在Ｒ＿（ｅ∞／ｍ＝３×１０￣７，Ｍ＿∞＝０．７３２－０．８１７范围内，在厚度比为１２％的圆弧翼型半模型和厚度比为１４％的超临界翼型半模型上，对被动控制现象及其若干规律进行了实验研究。结果表明，不同空腔深度的开孔壁和导管连通壁均可对壁面激波与边界层的相互作用实现被动控制，使得沿以上两种模型表面的马赫数峰值、逆压力梯度和激波强度明显减小。这对于飞行器将起到减阻作用，如将这一原理和方法用于超、跨声速压气机内激波与边界层相互作用的控制，将提高压气机的效率和工作的稳定性。

用STC格式求解二维激波─边界层相互作用问题

将空间－时间守恒（ＳＴＣ）格式应用于求解Ｎ－Ｓ方程，并对激波－边界层相互作用问题进行了计算．结果表明，该方法可捕获激波与边界层相互作用的各种现象，显示了优良的数值模拟性能。

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动式控制的研究

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。被动式控制是用带有空腔的多孔表面部分地取代叶片吸力面的固体表面，并使该多孔表面恰好位于激波位置的下方。本文给出了有无被动控制时叶栅通道的纹影照相、高速照相、激波强度及叶栅损失，并对它们加以比较。结果表明，激波由无孔叶片时的单一波变成有孔叶片时的入波，激波强度变弱，激波振幅减小，叶栅等摘效率得以提高。

激波串与进气道肩部分离泡相互作用

针对高超声速进气道激波串与肩部分离泡相互作用时的流动振荡问题,在来流马赫数为6的激波风洞中,采用高速纹影拍摄结合壁面动态压力测量,研究了有/无抽吸情况下激波串与肩部分离泡的相互作用过程。结果表明:当激波串前移至肩部附近时,有抽吸进气道也会产生大尺度的分离泡,进而有/无抽吸进气道内的激波串均会与肩部分离泡形成耦合振荡,并造成严重的脉动压力。在激波串的推动下,分离泡能够自由地越过肩部凸拐角,使得其自身的低频振荡特性能够显现。激波串内的压力波动会显著改变分离泡的形态,而分离泡形态的变化又会影响激波串内的压力,两者相互耦合从而维持这种低频振荡。无抽吸进气道具有相同的低频耦合振荡特性;而抽吸缝阻碍了上下游的信息传递,使得有抽吸进气道的分离泡低频振荡显著,而激波串振荡具有一定的宽频特性。经分离激波振荡范围和进气道入口速度无量纲后,有/无抽吸进气道低频耦合振荡的St均处于0.011~0.021,与经典分离泡的低频振荡特性相当。

侧壁约束下压缩激波/湍流边界层相互作用低频不稳定性实验研究

侧壁面约束条件下压缩激波/湍流边界层相互作用(Shock-Wave/Turbulent Boundary-Layer Interactions,SWTBLIs)呈现出区别于经典二维SWTBLIs的强三维特性,尤其是低频不稳定性问题自发现以来就受到了广泛关注,而其与下游压缩环境之间的关联性尚不明确。本文基于带侧壁约束的超声速压缩拐角构建三维受限的SWTBLIs流动,并通过自由射流风洞实验进行了系统研究,其中来流Ma∞=2.5,湍流边界层发展厚度对矩形流道宽度的占比约0.08,压缩拐角在12°~24°的宽范围内变化。通过不同压缩拐角下流场结构演化及壁面压力脉动信号谱特性的对比,揭示了侧壁面约束条件下压缩拐角对SWTBLIs低频大尺度振荡时间-空间演化行为的影响规律和作用机制。研究发现:压缩拐角角度较小时,侧壁面约束导致的“拖尾效应”有助于延缓压缩拐角附近流动分离模式的过渡,并抑制压缩激波的不稳定性;压缩拐角达到20°及以上时,压缩拐角前沿逐渐发展为大尺度流动分离模式,侧壁面约束的角区将首先发展出能量集中的低频脉动,并逐步演化为两种峰值频率分别约为50Hz和200Hz量级的不同大尺度间歇性低频振荡叠加行为,且伴随着压缩激波形态的显著改变;两种低频振荡行为都属于SWTBLIs流场的全局性不稳定振荡,但沿着展向振荡强度差异显著,角区内的振荡强度远远高于中心主流区域。