高超声速内外流中若干典型脉动压力问题

论文摘要

吸气式高超声速飞行器内外流中激波和边界层之间的相互作用突出,由于空间的约束和上下游流动的耦合作用,形成多种复杂、严酷的脉动压力环境,与简单外流相比更具挑战性。为适应长时间巡航,合理的飞行器结构设计要求充分认识内外流中各类激波/边界层干扰以及激波串结构等带来的脉动压力特征,明晰其中的非定常流动机理,并发展脉动压力载荷的快速预测方法作为新型飞行器研制的重要支撑。为此,本文首先总结分析了典型激波/湍流边界层干扰中的脉动压力来源和脉动压力载荷特征,建立了有一定代表性的脉动载荷工程预测方法;然后,在激波风洞实验平台上,考察了进气道/隔离段中几种复杂干扰流场的脉动压力特性,讨论了干扰强度、几何构型以及上下游条件对流动特性的影响,分析了对脉动压力产生显著影响的振荡机制。工程预测方法以其快速、高效的优点成为脉动压力环境预测的重要手段。以典型二维和三维激波/湍流边界层干扰分离流为对象,总结分析了干扰流中由边界层湍流、分离流、激波振荡等引起的脉动压力环境。在此基础上,以时均流场为输入参数,进行流动区域划分,对各区域分别预测和组合集成,形成了干扰区内脉动压力分布的工程预测方法。这一方法较好地预测了压缩拐角、斜激波/湍流边界层、后掠斜楔、立楔等典型干扰流场中的脉动压力载荷分布,并被有效地运用到了进气道流动中,为复杂干扰流场中脉动载荷特征的分析和预测提供了参考。前体/进气道压缩拐角、唇口激波/肩部干扰等干扰区为具有代表性的脉动压力环境。利用简化构型,进行了激波风洞实验研究。不同压缩角度实验结果表明,干扰区内脉动载荷随干扰强度升高而增大。实验结果与工程方法预测的脉动载荷基本吻合,进一步验证了工程预测方法的可靠性。在唇口激波/肩部干扰处,肩部膨胀的引入使肩部构型和激波入射位置成为影响干扰区特性的重要因素。倒圆肩部和尖拐角肩部两种构型中的实验结果表明,倒圆拐角中,脉动载荷峰值位置随唇口激波入射位置改变而发生变化,而尖拐角制约了脉动载荷峰值位置的移动。频谱特征也表明尖拐点对于分离激波的低频振荡有着明显的抑制作用。伴随发动机工作时的燃烧室增压变化,自下游以剧烈的逆压梯度背压驱动方式引起进气道/隔离段的激波串振荡,是严酷的脉动压力来源。建立了激波串受迫振荡脉动压力工程预测方法,较好地预测了低频正弦背压下的振荡载荷。进一步对抽吸缝作用下的二元进气道/隔离段中激波串振荡特性进行了激波风洞实验研究。在隔离段出口的唇口一侧施加节流堵块模拟反压,不同堵塞度的实验结果表明:在中等堵塞度25.3%～32.3%和高堵塞度35.3%～38.2%工况下,隔离段内产生非定常激波串,受到隔离段内预先存在的背景波系以及抽吸缝泄流作用的影响,分别出现大幅度低频振荡和小幅度高频振荡。在大幅度振荡模式中,唇口一侧大分离区周期性地形成和消失,肩部一侧激波串前沿分离激波在抽吸缝后缘到隔离段出口之间大幅度振荡,其振荡主频约为280～480 Hz,并且随着堵塞度升高而降低;在小幅度振荡模式中,唇口一侧始终存在大分离区,肩部一侧激波串前沿分离激波在抽吸缝附近小幅振荡,其振荡主频约为900～1800 Hz。两种振荡模式均给隔离段壁面带来严酷的脉动压力载荷。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 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 内外流脉动压力环境
•     1.2.2 典型激波/湍流边界层干扰
•     1.2.3 唇口激波/肩部干扰
•     1.2.4 激波串振荡
•     1.2.5 脉动压力载荷预测方法
•   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 数据处理
•     2.1.3 图像处理
•   2.2 数值模拟方法
•     2.2.1 验证算例
•   2.3 本章小结
• 第3章 激波/边界层干扰脉动压力工程预测
•   3.1 典型二维斜激波/边界层干扰脉动压力预测
•     3.1.1 分区预测策略
•     3.1.2 边界层、分离流湍流脉动压力预测
•     3.1.3 低频激波振荡脉动压力预测
•     3.1.4 预测流程
•     3.1.5 预测结果分析
•   3.2 典型三维激波/湍流边界层脉动压力预测
•     3.2.1 时均结构和脉动特性
•     3.2.2 三维干扰工程预测验证
•   3.3 内流激波/湍流边界层脉动压力预测
•   3.4 本章小结
• 第4章 通流状态下进气道脉动压力环境
•   4.1 高超声速压缩拐角脉动特性
•     4.1.1 实验模型
•     4.1.2 时均和脉动压力特性
•     4.1.3 工程预测与实验对比
•   4.2 二元进气道唇口激波/肩部干扰脉动特性
•     4.2.1 实验模型
•     4.2.2 肩部倒圆影响
•     4.2.3 唇口入射位置影响
•   4.3 本章小结
• 第5章 反压作用下进气道隔离段激波串振荡特性
•   5.1 激波串受迫振荡脉动压力工程预测
•   5.2 反压作用下带抽吸进气道隔离段激波串实验研究
•     5.2.1 实验模型
•     5.2.2 无反压流场和背景波系
•     5.2.3 低反压大幅度振荡
•     5.2.4 高反压小幅度振荡
•     5.2.5 不起动喘振
•   5.3 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
• 附录A 工程预测程序界面
• 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: 黄蓉

导师: 杨基明,李祝飞

关键词: 高超声速流动,脉动压力,工程预测,内外流,激波,边界层相互作用

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,航空航天科学与工程,航空航天科学与工程

单位: 中国科学技术大学

分类号: V211;V41

总页数: 131

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