發(fā)布時間：2017-09-03 04:23

  本文關(guān)鍵詞：超聲速壓縮拐角流動機理及其流動分離控制的試驗研究

  更多相關(guān)文章： 超聲速流動 壓縮拐角 邊界層 流動分離 擬序結(jié)構(gòu) 完備正交分解 流動控制 NPLS PIV

【摘要】：壓縮拐角作為一種典型的氣動外形,廣泛存在于超聲速飛行器的進氣道、控制面等結(jié)構(gòu)中,由壓縮拐角引起的激波與邊界層相互作用會對飛行器的流場結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性和安全性產(chǎn)生重要影響。對超聲速壓縮拐角流動的研究不僅是復(fù)雜湍流機理研究的重要內(nèi)容,而且在飛行器氣動外形設(shè)計和結(jié)構(gòu)優(yōu)化等工程領(lǐng)域也具有十分重要的意義。超聲速壓縮拐角流動具有明顯非定常性和三維特性,這對試驗研究提出了一定的挑戰(zhàn)。本文采用試驗研究的方法,在Ma=3.0的條件下從流動顯示、結(jié)構(gòu)特征定量分析和速度場結(jié)構(gòu)以及流動分離控制等方面分別對上游邊界層為層流、轉(zhuǎn)捩流和湍流的超聲速壓縮拐角流動進行了深入研究。本文首先介紹了用于超聲速壓縮拐角流動試驗研究的風(fēng)洞和基于納米示蹤的平面激光散射技術(shù)(Nano-tracer Planar Laser Scattering)以及粒子圖像速度場技術(shù)(Particle Image Velocimetry),對NPLS和PIV測試系統(tǒng)的工作原理進行了詳細闡述,并分析了納米示蹤粒子的跟隨性和測試系統(tǒng)的分辨率以及誤差。本文采用NPLS技術(shù)分別對超聲速層流、轉(zhuǎn)捩流和湍流壓縮拐角在不同坡面角度下的流動結(jié)構(gòu)進行了研究,獲得了壓縮拐角的精細流動結(jié)構(gòu)圖像,研究了時間平均的流場結(jié)構(gòu)特征和流動結(jié)構(gòu)隨時間的演化特性。當坡面角度為23°時,三種壓縮拐角流動均沒有出現(xiàn)流動分離現(xiàn)象。當坡面角度為25°時,層流壓縮拐角出現(xiàn)了典型的流動分離,邊界層的快速增長引起了一道誘導(dǎo)激波,流場中出現(xiàn)了發(fā)卡渦、壓縮波和分離激波、再附激波等結(jié)構(gòu);轉(zhuǎn)捩流壓縮拐角出現(xiàn)了一定程度的流動分離,但分離區(qū)的長度明顯較小,流場中沒有出現(xiàn)邊界層增長引起的誘導(dǎo)激波;湍流壓縮拐角的邊界層在整個流動過程中均表現(xiàn)為附著狀態(tài),并未出現(xiàn)流動分離。當坡面角度為28°時,層流壓縮拐角邊界層分離加劇,分離區(qū)的長度明顯增加,流動分離區(qū)域的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜;轉(zhuǎn)捩流壓縮拐角出現(xiàn)了典型的流動分離,分離區(qū)的長度有所增加,分離區(qū)的末端一系列壓縮波匯聚形成再附激波;湍流壓縮拐角也出現(xiàn)了流動分離,但分離區(qū)的長度較短,流動分離區(qū)域的結(jié)構(gòu)也相對簡單�；诟叻直媛实腘PLS圖像,本文對超聲速壓縮拐角流動的結(jié)構(gòu)特征進行了定量的分析,研究了邊界層的間歇特性,計算了邊界層擬序結(jié)構(gòu)的大小和結(jié)構(gòu)傾角以及邊界層分形維數(shù)。本文對層流和轉(zhuǎn)捩流壓縮拐角上游邊界層間歇因子的計算結(jié)果與Klebanoff對不可壓邊界層間歇因子的測量結(jié)果一致。在流動分離區(qū)域,受到逆壓梯度的影響,其邊界層間歇因子的分布與上游區(qū)域存在明顯區(qū)別。通過空間相關(guān)性分析得到的邊界層擬序結(jié)構(gòu)均沿壁面法向逐漸減小,其中,轉(zhuǎn)捩流壓縮拐角的邊界層擬序結(jié)構(gòu)沿流向逐漸增大,湍流壓縮拐角的邊界層擬序結(jié)構(gòu)沿流向先逐漸減小后逐漸增大。層流、轉(zhuǎn)捩流和湍流壓縮拐角的邊界層擬序結(jié)構(gòu)傾角均沿壁面法向逐漸增大。在層流壓縮拐角中,邊界層在不同發(fā)展階段的分形維數(shù)存在明顯差異,而在轉(zhuǎn)捩流和湍流壓縮拐角中,邊界層分形維數(shù)沿流動方向的變化較小,并且基本不受坡面角度變化的影響。采用PIV技術(shù)分別測量了超聲速層流、轉(zhuǎn)捩流和湍流壓縮拐角的速度場結(jié)構(gòu)。當坡面角度為25°時,層流壓縮拐角分離區(qū)中出現(xiàn)了明顯的回流運動,剪切層結(jié)構(gòu)逐步成型并穩(wěn)定增長,x方向的速度分布表現(xiàn)為分層結(jié)構(gòu),y方向的速度分布體現(xiàn)了激波和流道壓縮對流動的影響,分離區(qū)長度為L_(sep-lam1)=62.6mm;轉(zhuǎn)捩流壓縮拐角分離區(qū)中的回流運動范圍較小,其剪切層較薄,x方向的速度分布表現(xiàn)為分層結(jié)構(gòu),y方向的速度分布呈現(xiàn)傾斜“V”形區(qū)域,分離區(qū)長度為L_(sep-tran1)=24.5mm;湍流壓縮拐角的流場中沒有出現(xiàn)分離,其剪切層較厚,存在劇烈的速度剪切。當坡面角度為28°時,層流壓縮拐角分離區(qū)中的回流運動范圍擴大,回流區(qū)內(nèi)存在較大的速度梯度,y方向速度分布的傾斜“V”形區(qū)域范圍有所擴大并向上游移動,分離區(qū)長度為L_(sep-lam2)=86.0mm;轉(zhuǎn)捩流壓縮拐角分離區(qū)中的回流運動更為顯著,剪切層的厚度有所增加,x方向速度的分布延續(xù)了分層的結(jié)構(gòu),y方向速度的分布體現(xiàn)了激波和回流結(jié)構(gòu)對流動的影響,分離區(qū)長度為L_(sep-tran2)=65.4mm;湍流壓縮拐角流場中出現(xiàn)了邊界層分離,但近壁區(qū)域回流運動的范圍較小,x方向速度的分布表現(xiàn)為分層結(jié)構(gòu),y方向速度的分布體現(xiàn)了分離激波和流道壓縮的影響,分離區(qū)長度為L_(sep-tur)=31.1mm�；赑IV測量的結(jié)果,本文對壓縮拐角的速度場結(jié)構(gòu)進行了POD(Proper Orthogonal Decomposition)分解,分析了速度場結(jié)構(gòu)的主次特征。最后,采用微型渦流發(fā)生器分別對超聲速層流和湍流壓縮拐角的流動分離進行了控制研究,運用NPLS和PIV技術(shù)獲得了在渦流發(fā)生器控制作用下的流動結(jié)構(gòu)和速度場結(jié)構(gòu)。試驗結(jié)果表明:在上游邊界層邊界層狀態(tài)分別為層流和湍流的條件下,渦流發(fā)生器的尾流結(jié)構(gòu)均可以分為由反向旋渦組成的剪切層結(jié)構(gòu)和具有間歇特性的大尺度擬序結(jié)構(gòu)兩個區(qū)域。25°層流壓縮拐角分離區(qū)內(nèi)部的低速區(qū)域范圍減小,28°湍流壓縮拐角流場中的分離激波波足向下游移動,分離區(qū)內(nèi)回流運動的范圍均明顯減小。通過對速度場結(jié)構(gòu)進行定量分析發(fā)現(xiàn),渦流發(fā)生器的控制作用能有效減小層流和湍流壓縮拐角流場中的分離區(qū)長度。
【關(guān)鍵詞】：超聲速流動 壓縮拐角 邊界層 流動分離 擬序結(jié)構(gòu) 完備正交分解 流動控制 NPLS PIV
【學(xué)位授予單位】：國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：V211.7
【目錄】：

• 摘要15-17
• ABSTRACT17-20
• 第一章 引言20-37
• 1.1 研究背景及意義20-22
• 1.2 超聲速壓縮拐角流動及其控制的研究現(xiàn)狀22-35
• 1.2.1 流動顯示22-25
• 1.2.2 速度場結(jié)構(gòu)25-26
• 1.2.3 壓力、熱流和摩阻系數(shù)26-27
• 1.2.4 邊界層分離27-29
• 1.2.5 流動非定常性29-32
• 1.2.6 流動分離的控制32-35
• 1.3 本文的主要研究內(nèi)容35-37
• 第二章 試驗設(shè)備和測試系統(tǒng)37-47
• 2.1 概述37
• 2.2 馬赫 3.0 超聲速風(fēng)洞37-39
• 2.3 NPLS測試系統(tǒng)39-44
• 2.3.1 NPLS系統(tǒng)組成和工作原理40-42
• 2.3.2 納米示蹤粒子的跟隨性研究42-44
• 2.4 超聲速PIV測試系統(tǒng)44-46
• 2.5 小結(jié)46-47
• 第三章 來流邊界層為層流的超聲速壓縮拐角試驗研究47-96
• 3.1 試驗?zāi)Ｐ图捌鋮?shù)47-48
• 3.2 超聲速層流壓縮拐角的流動結(jié)構(gòu)48-62
• 3.2.1 上游邊界層和壁面壓力分布48-51
• 3.2.2 超聲速層流壓縮拐角流場的空間特征51-59
• 3.2.3 流動結(jié)構(gòu)的時間演化特性59-62
• 3.3 基于流動顯示的結(jié)構(gòu)特征定量分析62-77
• 3.3.1 邊界層間歇性的研究63-67
• 3.3.2 擬序結(jié)構(gòu)的空間相關(guān)性分析67-70
• 3.3.3 邊界層分形維數(shù)的研究70-77
• 3.4 超聲速層流壓縮拐角流動的速度場結(jié)構(gòu)77-93
• 3.4.1 25°層流壓縮拐角速度場結(jié)構(gòu)77-83
• 3.4.2 28°層流壓縮拐角速度場結(jié)構(gòu)83-89
• 3.4.3 速度場結(jié)構(gòu)的POD分析89-93
• 3.5 小結(jié)93-96
• 第四章 來流邊界層為轉(zhuǎn)捩流的超聲速壓縮拐角試驗研究96-141
• 4.1 試驗?zāi)Ｐ图捌鋮?shù)96-97
• 4.2 超聲速轉(zhuǎn)捩流壓縮拐角的流動結(jié)構(gòu)97-109
• 4.2.1 上游邊界層97-98
• 4.2.2 超聲速轉(zhuǎn)捩流壓縮拐角流場的空間特征98-105
• 4.2.3 流動結(jié)構(gòu)的時間演化特性105-109
• 4.3 基于流動顯示的結(jié)構(gòu)特征定量分析109-123
• 4.3.1 邊界層間歇性的研究109-112
• 4.3.2 擬序結(jié)構(gòu)的空間相關(guān)性分析112-117
• 4.3.3 邊界層分形維數(shù)的研究117-123
• 4.4 超聲速轉(zhuǎn)捩流壓縮拐角流動的速度場結(jié)構(gòu)123-138
• 4.4.1 25°轉(zhuǎn)捩流壓縮拐角速度場結(jié)構(gòu)123-129
• 4.4.2 28°轉(zhuǎn)捩流壓縮拐角速度場結(jié)構(gòu)129-134
• 4.4.3 速度場結(jié)構(gòu)的POD分析134-138
• 4.5 小結(jié)138-141
• 第五章 來流邊界層為湍流的超聲速壓縮拐角試驗研究141-180
• 5.1 試驗?zāi)Ｐ图捌鋮?shù)141-142
• 5.2 超聲速湍流壓縮拐角的流動結(jié)構(gòu)142-152
• 5.2.1 上游邊界層142-143
• 5.2.2 超聲速湍流壓縮拐角流場的空間特征143-150
• 5.2.3 流動結(jié)構(gòu)的時間演化特性150-152
• 5.3 基于流動顯示的結(jié)構(gòu)特征定量分析152-163
• 5.3.1 擬序結(jié)構(gòu)的空間相關(guān)性分析153-157
• 5.3.2 邊界層分形維數(shù)的研究157-163
• 5.4 超聲速湍流壓縮拐角流動的速度場結(jié)構(gòu)163-178
• 5.4.1 25°湍流壓縮拐角速度場結(jié)構(gòu)163-168
• 5.4.2 28°湍流壓縮拐角速度場結(jié)構(gòu)168-173
• 5.4.3 速度場結(jié)構(gòu)的POD分析173-178
• 5.5 小結(jié)178-180
• 第六章 超聲速壓縮拐角流動分離控制的試驗研究180-192
• 6.1 微型渦流發(fā)生器180-181
• 6.2 Anderson微三角楔對超聲速層流壓縮拐角流動分離的控制研究181-186
• 6.2.1 Anderson微三角楔控制下的流場空間結(jié)構(gòu)181-183
• 6.2.2 Anderson微三角楔控制下的速度場結(jié)構(gòu)183-186
• 6.3 Anderson微三角楔對超聲速湍流壓縮拐角流動分離的控制研究186-191
• 6.3.1 Anderson微三角楔控制下的流場空間結(jié)構(gòu)186-188
• 6.3.2 Anderson微三角楔控制下的速度場結(jié)構(gòu)188-191
• 6.4 小結(jié)191-192
• 第七章 結(jié)論與展望192-196
• 7.1 本文研究工作總結(jié)192-195
• 7.2 展望195-196
• 致謝196-197
• 參考文獻197-212
• 作者在學(xué)期間取得的學(xué)術(shù)成果212-213

【參考文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 黃真理;湍流的分形特征[J];力學(xué)進展;2000年04期

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本文編號：782847