高超声速内外流中的三维激波相互作用

论文摘要

吸气式高超声速飞行器内外流中存在多种形式的激波相互作用,这些激波相互作用通常对飞行器性能和安全性具有至关重要的影响,在飞行器研制过程中需要予以重视。针对二维激波相互作用,已有研究成果形成了相对较为完备的理论体系,为以高超声速二元进气道为典型特征的飞行器流动机理认识和工程应用提供了概念和方法支撑。但随着以内转式进气道为代表的三维曲面压缩系统逐渐成为研究热点,其流动的强三维特征及近轴对称内收缩几何约束效应等都对现有的激波相互作用认知和理论提出了新的挑战,难以采用现有的理论分析方法对其机理和性能进行准确描述和预测,同时也使得相关的控制和优化设计难度增大。因此,开展针对性的三维激波相互作用机理研究无疑有着重要的学术和应用价值。本文针对以内转式进气道为代表的高超声速内外流中的复杂激波干扰问题,力求突出重点和分解难点,从不同角度分别提出几种典型的简化模型以体现主要特征和要素,通过数值模拟、理论分析和风洞实验相结合的方法展开研究,从特征认识、机理探讨、关键影响因素分析以及规律梳理等几个方面进行了讨论。首先针对三维激波干扰特征进行了二维简化可行性分析,以垂直于激波交线切向的平面为特征分析平面,基于局部二维化构思,建立了针对任意两道三维激波的相交干扰问题的求解方法。在此基础上,通过简化的圆锥激波反射模型,考察了三维激波规则/马赫反射的转变边界,发现了三维激波反射问题中的迟滞现象。基于二维局部分析的三维激波干扰理论能够较好地预测激波反射类型的转变趋势,但当激波干扰类型转变点附近存在强三维流动时,由于穿越特征分析平面的横向参数变化影响显著,可能会导致二维简化分析结果不准确。内转式进气道v形溢流口作为具有内外流动耦合特征的关键部位,其激波干扰问题需要重点关注。研究中将进气道V形溢流口简化为V形钝前缘平板,在激波风洞实验中,通过平面激光散射技术(PLS)和纹影技术,获得了 V形溢流口三维激波干扰的流动图像,并结合数值模拟揭示了其三维流动物理机制。研究表明,内转式进气道前缘脱体激波(DS)与其V形溢流口驻点前弓形激波(BS)发生干扰,形成马鞍形激波面,沿马鞍形激波面上的拐折线,DS和BS的激波干扰类型逐渐从驻点上游的同侧干扰转变为驻点下游的异侧干扰。在激波同侧干扰区域,产生向对称面汇聚的横向流动,与激波拐折线处形成的剪切层一起,向展向对称面汇聚,并卷起形成流向涡对结构(CVP),该流向涡对向流场下游延伸,对流场造成较大范围的影响。此外,通过斜激波入射V形钝前缘平板,考察探讨了前体激波与溢流口相对位置改变带来的激波干扰类型变化特征和规律,发现斜激波与溢流口驻点前弓形激波的干扰与V形钝前缘自身的激波干扰相耦合,造成了更加复杂的流场结构。近圆形内流道的激波干扰既不同于平面激波相互作用,也与纯轴对称流动存在轴心奇性有着本质差异。本文选取椭圆截面作为典型的偏轴对称简化构型,研究了椭圆截面内收缩流场中的激波干扰问题,通过实验和数值模拟考察了截面长短轴比、前缘压缩角和来流攻角对激波演变的影响。发现了三种激波干扰类型,分别为:Type A马赫反射、Type B规则反射和Type C临界反射。通过对激波面周向强度不均匀性及其演变过程的理论和数值分析,揭示了引起椭圆截面内收缩流场激波干扰类型转变的主要影响因素及其影响的物理机制,即:长轴面内更大的激波曲率导致的更强的流动汇聚效应使得激波更快地趋近于流场轴线,与短轴面内更短的激波离轴距离之间相互竞争;此外,初始连续弯曲的椭圆形激波面在汇聚增强过程中,演变成为强、弱两对分段激波面,以不同的强度、尺度向中心轴传播,并在上下游不同位置处相交,对干扰类型的转变起着重要作用。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 符号说明
• 第1章 绪论
•   1.1 研究背景和研究意义
•   1.2 国内外研究进展
•     1.2.1 激波反射问题
•     1.2.2 激波干扰问题
•     1.2.3 轴对称内收缩流场激波反射问题
•   1.3 本文工作
• 第2章 实验及数值方法
•   2.1 实验方法
•     2.1.1 KDJB330激波风洞
•     2.1.2 流场观测手段
•   2.2 数值模拟方法
•     2.2.1 FLUENT求解器介绍
•     2.2.2 验证算例
•   2.3 本章小结
• 第3章 三维激波干扰理论及应用
•   3.1 一般形式的三维激波干扰理论
•     3.1.1 三维平面激波流场求解
•     3.1.2 两道三维曲面激波的相交干扰
•     3.1.3 三维激波干扰理论验证
•   3.2 圆锥激波反射
•     3.2.1 模型及研究方法
•     3.2.2 锥角对激波反射类型的影响
•     3.2.3 不同来流马赫数下圆锥激波反射
•   3.3 本章小结
• 第4章 进气道溢流口三维激波干扰简化研究
•   4.1 V形钝前缘溢流口三维流动特征
•     4.1.1 模型及研究方法
•     4.1.2 规则干扰构型
•     4.1.3 马赫干扰构型
•   4.2 不同几何参数V形钝前缘构型下游流场
•     4.2.1 激波波系对比
•     4.2.2 激波干扰区域流场参数对比
•   4.3 斜激波入射V形钝前缘激波干扰
•     4.3.1 模型和研究方法
•     4.3.2 流场波系结构
•   4.4 本章小结
• 第5章 椭圆截面内收缩流场激波相互作用
•   5.1 模型及研究方法
•     5.1.1 模型和实验方法
•     5.1.2 数值计算方法
•   5.2 截面长短轴比对激波反射的影响
•     5.2.1 TypeA马赫反射
•     5.2.2 TypeB规则反射
•     5.2.3 Type C临界反射
•     5.2.4 激波面周向不均匀性演变特征及激波反射类型转变机制
•   5.3 前缘压缩角对激波反射的影响
•     5.3.1 不同前缘压缩角流场波系结构
•     5.3.2 前缘压缩角对反射类型转变的影响
•   5.4 来流攻角对激波反射的影响
•   5.5 本章小结
• 第6章 结论与展望
•   6.1 结论
•   6.2 创新点
•   6.3 展望
• 参考文献
• 致谢
• 在读期间发表的学术论文与取得的研究成果

文章来源

类型: 博士论文

作者: 张恩来

导师: 杨基明,李祝飞

关键词: 高超声速流动,内转式进气道,激波反射,激波干扰,飞行器内外流,激波汇聚,形溢流口

来源: 中国科学技术大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 力学,力学,航空航天科学与工程

单位: 中国科学技术大学

分类号: V211;O354.5

DOI: 10.27517/d.cnki.gzkju.2019.000008

总页数: 160

文件大小: 18127K

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