【摘要】：在吸氣式高超聲速飛行器關鍵難題攻關中,前體進氣道流動中激波-激波干擾帶來的熱、力載荷問題是需要予以關注的重要一環(huán)。激波干擾會產(chǎn)生復雜的流場波系結構,引起流動分離、再附、射流沖擊等,造成流動非定常振蕩,壁面局部區(qū)域壓力和熱流大幅升高,進而影響飛行器進氣道的性能和結構的安全性。因此,研究激波干擾不僅對高超聲速飛行器的降熱和減阻設計有重要的工程指導意義,同時有助于對可壓縮流動機理的認識。本文針對高超聲速進氣道唇口位置可能出現(xiàn)的激波干擾問題,采用簡化構型,以激波風洞為實驗平臺,結合數(shù)值模擬開展研究,考察了激波干擾的流場結構和干擾區(qū)域壁面熱流、壓力分布,討論了構型幾何參數(shù)及來流條件對流動特性的影響,著重分析了流動中的非定常振蕩現(xiàn)象及高熱流形成機理。主要的工作與取得的成果如下：1、數(shù)值模擬了高超聲速第Ⅳ類激波-激波干擾,分析了非定常振蕩過程中擾動的傳播及其對波系結構的影響,進一步認識了振蕩機制,考察了粘性、入射激波強度、激波干擾點位置和鈍頭體外形對流動中的非定常振蕩及壁面壓力、熱流分布的影響。結果表明：來流條件和鈍頭體外形不同,第Ⅳ類激波干擾可能出現(xiàn)非定常振蕩,也可能呈現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)；無粘特征在激波干擾流動中起主導作用；入射激波強度增大或鈍頭體外形變鈍,熱、力載荷有增大的趨勢,Strouhal數(shù)則會減小,弓形激波的脫體距離是影響Strouhal數(shù)的主要因素；合理選擇鈍頭體外形可望有效地降低激波干擾帶來的脈動熱、力載荷;降低來流馬赫數(shù),第Ⅳ類激波干擾的非定常振蕩現(xiàn)象明顯減弱。2、研究了帶凹腔鈍頭體第Ⅳ類激波干擾的流動特征,考察了迎風凹腔的引入對流動非定常振蕩特性的影響。實驗上,在激波風洞中采用高速紋影方法獲得具有時間分辨率的流場照片,采用高頻響壓力傳感器獲得凹腔底部脈動壓力信號。數(shù)值模擬結果與實驗結果在流場結構和非定常振蕩頻率方面吻合較好。超聲速射流與迎風凹腔的相互作用對激波振蕩起到了關鍵作用：射流遠離凹腔時,二者相互作用不明顯,流動呈現(xiàn)較為穩(wěn)定的干擾結構；射流沖擊凹腔時,第Ⅳ類激波干擾呈現(xiàn)出兩種明顯不同的振蕩模式—高頻前后振蕩模式和低頻上下振蕩模式。此外,三維效應對非定常振蕩實驗結果有著不可忽視的影響。3、研究了高超聲速三維內(nèi)收縮式進氣道V形鈍化唇口位置的激波干擾。唇口簡化為V形前緣構型,采用數(shù)值模擬為主的方法,結合激波風洞實驗分析了激波干擾的流場結構和壁面熱流分布,重點研究了V形前緣幾何參數(shù)和來流條件的影響。結果表明：在流場結構方面,實驗紋影和數(shù)值模擬結果吻合較好。激波干擾產(chǎn)生了復雜的波系結構,包括規(guī)則反射和馬赫反射,并引起壁面熱流升高,分布不均勻。根據(jù)波系結構與壁面作用類型,干擾可以歸納為三類：激波-壁面作用；超聲速射流-壁面作用;剪切層-壁面作用。V形前緣激波干擾會帶來嚴重的氣動熱、力載荷,一定條件下,熱流峰值可達到駐點熱流的二十幾倍。激波干擾使得前緣熱防護問題變得異常復雜,簡單的增加鈍化半徑并不一定能夠減小熱載荷,相反很可能帶來復雜的干擾流場,使得壁面熱流反而升高。最后,初步探討了V形前緣激波干擾流動的非定常特征,振蕩主要由剪切層和射流的不穩(wěn)定性引起。
【圖文】：

吸氣式高超聲速飛行器及第N類激波一激波干擾示意圖f201

圖１．４受損的Ｘ－１５－２飛行器沖壓發(fā)動機支架【《］逡逑
【學位授予單位】：中國科學技術大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：O354.4

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