激波串是超聲速/高超聲速氣流在減速增壓過程中出現(xiàn)的一種以激波與邊界層干擾為主要特征的復(fù)雜流動(dòng)現(xiàn)象,廣泛存在于吸氣式高超聲速飛行器的進(jìn)氣道/隔離段和超聲速風(fēng)洞擴(kuò)壓段等部件中。除了流動(dòng)形態(tài)十分復(fù)雜,激波串還表現(xiàn)出非穩(wěn)態(tài)性,即便在來流條件和反壓脈動(dòng)都保持恒定的情況下,激波串的位置和形態(tài)仍會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象;這種非定常激波與邊界層干擾現(xiàn)象對(duì)上游流場(chǎng)參數(shù)變化和下游壓力脈動(dòng)都十分敏感,往往會(huì)出現(xiàn)大尺度的低頻振蕩現(xiàn)象,直接影響著氣動(dòng)部件的結(jié)構(gòu)顫振和不起動(dòng)狀態(tài),因此開展激波串的動(dòng)態(tài)特性研究對(duì)于飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和氣動(dòng)性能具有重要意義。首先,采用動(dòng)態(tài)壓力測(cè)量、多視角紋影測(cè)量、粒子圖像測(cè)速技術(shù)(PIV)和基于剪切敏感液晶的表面摩擦力測(cè)量技術(shù)等實(shí)現(xiàn)了對(duì)Ma2.7管道模型中典型斜激波串的三維流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的刻畫和重構(gòu),并研究了管道中起動(dòng)激波的演化過程、激波反射遲滯現(xiàn)象以及斜激波串的自激振蕩現(xiàn)象等,加深了對(duì)斜激波串的非定常特性的認(rèn)知。其次,對(duì)管道內(nèi)斜激波串的受迫振動(dòng)特性進(jìn)行了詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)研究,包括下游周期性壓力擾動(dòng)的前傳特性、斜激波串受迫振蕩中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和流場(chǎng)結(jié)構(gòu)變化特征和影響斜激波串受迫振蕩運(yùn)動(dòng)的因素等,以及開展了管道中斜激波串運(yùn)動(dòng)軌跡與反壓變化率之間關(guān)系的建模分析。發(fā)現(xiàn)斜激波串的受迫振蕩運(yùn)動(dòng)對(duì)下游周期性壓力擾動(dòng)的響應(yīng)機(jī)制是,不同形式的反壓擾動(dòng)沿著管道中亞聲速區(qū)域和分離區(qū)前傳,使得上游的激波波后壓力發(fā)生變化,以同樣的頻率在管道中往返運(yùn)動(dòng),通過改變激波的相對(duì)強(qiáng)度來匹配下游的壓力變化情況。非定常激波與邊界層的干擾特性對(duì)斜激波串的非定常運(yùn)動(dòng)十分敏感,由激波速度和激波位置改變引起的激波相對(duì)強(qiáng)度的變化對(duì)這種非定常激波與邊界層的干擾特性起主導(dǎo)作用。而反壓擾動(dòng)的幅值、頻率和波形等對(duì)管道中出現(xiàn)的非定常激波與邊界層擾動(dòng)特性沒有明顯的影響,可將斜激波串在管道內(nèi)的受迫振蕩運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)化成一種剛性運(yùn)動(dòng)。然后,詳細(xì)介紹了管道中內(nèi)置斜楔、凹腔和鼓包等具有不同形式壓力梯度變化的上游激波流場(chǎng),研究了在背壓條件下斜激波串前移經(jīng)過上游復(fù)雜激波流場(chǎng)的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)變化特征和運(yùn)動(dòng)特性。發(fā)現(xiàn)與上游激波相互作用時(shí),斜激波串的非對(duì)稱分離偏轉(zhuǎn)形態(tài)發(fā)生了切換、在前移運(yùn)動(dòng)中出現(xiàn)了快速前移和被穩(wěn)定住等現(xiàn)象,以及在上游激波流場(chǎng)中存在的較強(qiáng)逆壓梯度的分離區(qū)與斜激波串相互作用的流場(chǎng)遲滯現(xiàn)象。并提出了一種在管道中內(nèi)置雙斜楔的上游激波流場(chǎng)控制方式,通過在流場(chǎng)中產(chǎn)生具有微弱非對(duì)稱性的上游激波結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)了對(duì)斜激波串的偏轉(zhuǎn)方向和結(jié)構(gòu)形態(tài)的主動(dòng)流動(dòng)控制。進(jìn)一步,開展了同時(shí)在不同形式的上游激波流場(chǎng)干擾和下游周期性壓力擾動(dòng)中斜激波串的受迫振蕩特性實(shí)驗(yàn)研究。在與上游激波流場(chǎng)的相互作用中,當(dāng)受到下游周期性壓力擾動(dòng)時(shí),斜激波串同樣以相同的反壓擾動(dòng)頻率在管道中出現(xiàn)受迫振蕩運(yùn)動(dòng);與在均勻流場(chǎng)中斜激波串受迫振蕩的幅值/頻率特性不同,在上游激波干擾流場(chǎng)中,斜激波串受迫振蕩的振幅值隨著反壓擾動(dòng)頻率的增加基本都保持不變;在某種程度上,斜激波串在受迫振蕩運(yùn)動(dòng)中經(jīng)過上游激波流場(chǎng)中具有順壓梯度變化的區(qū)域時(shí),受迫振蕩的幅值相比于在均勻流場(chǎng)中大幅度減小。最后,在Ma5對(duì)稱管道模型中,研究了在高馬赫數(shù)下斜激波串的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)特性、與上游激波相互作用的流動(dòng)結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)特性以及在高反壓條件下發(fā)生的分離激波的非對(duì)稱偏轉(zhuǎn)切換現(xiàn)象。發(fā)現(xiàn)在入射激波的振蕩運(yùn)動(dòng)中,這種分離激波的偏轉(zhuǎn)切換現(xiàn)象是隨機(jī)發(fā)生的,與高反壓條件下發(fā)生在前端壓縮面左右側(cè)的溢流和入射激波的自激振蕩有關(guān)。
【學(xué)位單位】：南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：V211;V411
【部分圖文】：

內(nèi)外研究現(xiàn)狀 Kazuyasu Matsuo[3]和 F. Gnani[19]等人分別在 1999 年和2016 年發(fā)表的關(guān)于激的綜述文章，國(guó)內(nèi)易仕和[20]等同樣對(duì)隔離段內(nèi)激波串的流場(chǎng)特性研究進(jìn)展的介紹了這種出現(xiàn)在管道內(nèi)的復(fù)雜的超聲速和高超聲速流動(dòng)現(xiàn)象。從 1949 年erk[21]在對(duì)超聲速風(fēng)洞擴(kuò)壓段設(shè)計(jì)中通過實(shí)驗(yàn)的方式首次觀察到了由激波與邊的激波串現(xiàn)象開始，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者采用理論分析、數(shù)值模擬和風(fēng)洞試驗(yàn)等多波與邊界層的相互作用現(xiàn)象進(jìn)行了一序列的研究工作。研究均表明，激波與對(duì)整個(gè)流場(chǎng)的影響非常重要，尤其是在激波強(qiáng)度足以使得邊界層發(fā)生分離的源于一種工程上的形象叫法，用來描述進(jìn)口來流馬赫數(shù)大于 1.5 時(shí)在管道內(nèi)形和邊界層相干結(jié)構(gòu)。如圖 1.2 中所示，通過傳統(tǒng)的紋影技術(shù)能夠直觀地獲取圖像，文獻(xiàn)中[3]將“激波串區(qū)域”（Shock Train Region）定義為壁面靜壓升高心線靜壓與壁面靜壓匯合點(diǎn)之間的區(qū)域，而“混合區(qū)”（Mixing Region）位于“，這其中不存在激波結(jié)構(gòu)，壁面靜壓分布規(guī)律與中心線靜壓分布規(guī)律基本保持”連同“混合區(qū)”一起構(gòu)成了“偽激波區(qū)域”（Pseudo-shock Wave Region）。

南京航空航天大學(xué)博士學(xué)位論文，可近似為無(wú)粘正激波狀態(tài)，且沒有發(fā)生邊界層分離；當(dāng)來流馬赫數(shù)在 1.2 至 1.3 之與邊界層相互干擾也相對(duì)較弱，在沿著壁面位置，激波端部開始傾斜分叉；隨著來續(xù)增大到 1.3 至 1.5 之間時(shí)，可以明顯的觀察到激波端部分叉結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，此時(shí)觀察構(gòu)稱為 λ 型激波；當(dāng)來流馬赫數(shù)大于 1.5 時(shí)，激波端部的分叉激波逐漸增大，觀察構(gòu)稱為 Х 型激波。其中，激波后的流動(dòng)分離情況隨著來流馬赫數(shù)的增大也可以反應(yīng)

其中，激波后的流動(dòng)分離情況隨著來流馬赫數(shù)的增大也可以圖 1.4 不同來流馬赫數(shù)下激波與邊面層相互作用示意圖[3]的形態(tài)隨馬赫數(shù)變化的機(jī)理依托于定常激波反射理論，如圖 1.5 中所示赫反射和斜激波串中出現(xiàn)的規(guī)則反射分別對(duì)應(yīng)著二維激波反射準(zhǔn)則[25-28] reflection）和規(guī)則反射（Regular reflection），其中，實(shí)線為 Von Neumann。這兩條準(zhǔn)則僅適用于二維定常激波反射，陶淵[29]等人將這種二維的理響，而管道內(nèi)斜激波串中的三維效應(yīng)也是下一步研究工作中的重點(diǎn)。

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 易仕和;陳植;;隔離段激波串流場(chǎng)特征的試驗(yàn)研究進(jìn)展[J];物理學(xué)報(bào);2015年19期

2 曹學(xué)斌;朱守梅;滿延進(jìn);易仕和;陳植;;考慮進(jìn)氣道喉道非均勻流場(chǎng)影響的隔離段直連試驗(yàn)[J];推進(jìn)技術(shù);2015年04期

3 陳植;易仕和;朱楊柱;何霖;全鵬程;;強(qiáng)梯度復(fù)雜流場(chǎng)中的粒子動(dòng)力學(xué)響應(yīng)試驗(yàn)研究[J];物理學(xué)報(bào);2014年18期

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5 于勇;徐新文;;拉瓦爾噴管外發(fā)生激波反射工況詳細(xì)分析[J];航空動(dòng)力學(xué)報(bào);2012年09期

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本文編號(hào)：2810731