高超声速流动中典型构型的激波/湍流边界层干扰及流动控制
吸气式高超声速飞行器的内外流场中存在复杂的激波/湍流边界层干扰现象,一旦激波引起流动分离，不仅会造成壁面的气动力/热载荷急剧升高，甚至会诱发非定常流动现象，给飞行器研制带来挑战。高超声速条件下的激波/湍流边界层干扰研究不仅缺乏对经典构型干扰规律的凝练，还缺乏对以内转式进气道为代表的三维复杂构型干扰的模化提炼。本文紧密结合数值模拟、风洞实验和理论方法，围绕高超声速条件下典型构型的激波/湍流边界层干扰的波系结构、流动分离以及流动控制展开研究。 针对二维、轴对称和三维扫掠激波/湍流边界层干扰开展了标度律研究，涵盖了宽范围的马赫数、雷诺数和壁温条件。针对压缩拐角和斜激波入射平板二维构型，通过修正壁温对分离准则的影响，建立了高超声速条件下激波/湍流边界层干扰长度的标度律，发现高雷诺数和低雷诺数工况的干扰长度满足不同的标度律，高雷诺数工况的干扰长度相较于低雷诺数工况增长更快。针对圆柱-尾裙和尖锥-尾裙两种构型，建立了轴对称干扰长度的标度律，发现轴对称构型的干扰长度相较于二维构型增长更快。针对立楔-平板构型产生的三维扫掠激波/湍流边界层干扰，通过修正雷诺数的影响，发展了一种适用于宽马赫数和雷诺数范围的上游影响线标度律。 针对内转式进气道流动中的三维激波/湍流边界层干扰问题，采用斜激波入射内凹半圆柱面研究模型，在来流马赫数为6的条件下，研究了斜激波的气流偏转角对干扰流场的影响。结果表明，斜激波与内凹半圆柱面干扰产生了以扫掠、入射及反射为主要特征的流动结构。发现斜激波扫掠内凹半圆柱面发生流动分离时，分离激波与入射激波干扰经历了马赫反射向规则反射的转变，利用局部二维化理论，揭示了反射类型转变的机理，并建立了斜激波扫掠内凹半圆柱面上游影响线的标度律。激波扫掠与入射相耦合形成了具有复杂拓扑结构的三维分离区，厘清了分离区内的旋风涡随着气流偏转角的增大而逐渐减小直至消失的演变规律，并建立了斜激波入射内凹半圆柱面干扰长度的标度律。入射激波反射后，上游产生的低能流在对称面对撞并形成流向涡对，揭示了流向涡对向下游发展的演化规律。 针对斜激波入射内凹半圆柱面产生的大尺度流动分离，研究了抽吸、扰流片对流动分离的影响。结果表明，在内凹半圆柱面底部开设抽吸缝可以显著减小中心分离区，但难以彻底吸除低能流，其抑制气流汇聚的效果不佳。厘清了抽吸缝几何参数对抽吸效果的影响规律，进而改进了抽吸缝设计。在内凹半圆柱面侧壁安装与扫掠分离线平行的扰流片，可以延迟激波扫掠内凹半圆柱面的分离，通过分析扰流片几何参数对激波扫掠区的影响，揭示了扰流片抑制两侧气流向对称面汇聚的机理。据此提出了抽吸-扰流片组合控制方案，不仅消除了内凹半圆柱面的中心分离区，而且显著降低了出口截面的低能流高度，为三维内转式进气道流动控制提供了重要参考。
高超声速流动;激波/湍流边界层干扰;流动分离;标度律;流动控制;数值模拟
中国科学技术大学
博士
流体力学
杨基明;李祝飞
2023
中文
V211.1
2023-12-27（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）