超声速轴对称激波与边界层相互作用研究

论文摘要

激波与边界层相互作用（SWBLI）广泛存在于超声速及高超声速飞行器进气道中,可以引起强烈的流动分离,导致进气道偏离设计工况,甚至无法启动。为了提高高超声速飞行器的整体性能和应用价值,需要保证进气道在较宽的马赫数范围内能够处于启动状态并保持良好的工作性能,近六十年来,世界各国流体力学专家和学者针对激波边界层相互作用现象进行了广泛的研究。本文以具有轴对称布局的进气道为研究背景,针对轴对称激波边界层相互作用进行了仿真和实验研究,通过湍流模型的对比分析,本文选取S-A湍流模型计算分离区,实验中采用高时空分辨率流场显示技术、超声速PIV技术等实验方法。本文研究了轴对称激波与圆柱边界层相互作用所产生的分离区随半径的变化规律以及圆锥边界层和轴对称激波与圆锥边界层相互作用的流场结构。本文进行了大量的仿真计算,得到了某一固定雷诺数下激波诱导边界层分离的预测模型,即在某一雷诺数下,通过给定的激波强度和来流马赫数,通过本文所得到的模型可以判定边界层是否分离。采用课题组的平面曲线激波逆向设计方法得到了等强度的轴对称汇聚激波,通过‘平行四边形’方法可以实现激波入射点参数一致;Rd1时轴对称流动可以近似为二维流动,轴对称分离区分离点模型和分离区长度模型与半径无关;1<Rd<100时,分离点模型中因子A随半径的增加而增大,并逐渐趋于一个稳定值,分离区长度随半径的增加而减小,可以用一个二阶多项式拟合。采用NPLS流场显示技术研究超声速圆锥边界层,得到了精细的圆锥湍流边界层涡结构图像,从图像当中可以看到深入主流区的大尺度湍流结构以及壁面处逐渐升起的条带结构;利用数字图像处理技术,对不同攻角下的圆锥边界层涡结构距离壁面的高度进行了分析,指出圆锥背风面涡结构距离壁面的高度随攻角的增加而增加,但增速变缓,迎风面边界层被吹除,背风面边界层涡结构随攻角的增加拉伸破碎加剧;通过对轴对称激波圆锥边界层相互作用的NPLS图像和PIV图像的初步分析,轴对称的激波边界层相互作用流场结构与二维的相比有明显的不同,分离区的形态与分离区附近的波系结构跟激波入射点附近的边界层特性相关。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 超声速激波与边界层相互作用研究进展
• 1.1.1 边界层研究进展
• 1.1.2 激波边界层相互作用研究
• 1.2 超声速激波与边界层相互作用分离区模型研究进展
• 1.2.1 入射激波诱导边界层分离预测模型
• 1.2.2 分离区分离点模型
• 1.2.3 分离区长度模型
• 1.3 本文主要研究内容
• 第二章 实验设备与实验方案
• 2.1 超声速静风洞与NPLS系统
• 2.1.1 NPLS系统
• 2.1.2 吸气式超声速静风洞
• 2.2 实验设计
• 2.2.1 实验模型
• 2.2.2 实验方案
• 2.3 数字图像处理方法
• 2.3.1 边缘检测
• 2.3.2 速度场测量
• 2.4 小结
• 第三章 超声速流动数值模拟方法
• 3.1 数值模拟方法
• 3.1.1 控制方程
• 3.1.2 S-A湍流模型
• 3.1.3 差分格式
• 3.2 网格划分与边界条件
• 3.2.1 自适应网格技术
• 3.2.2 网格划分
• 3.2.3 边界条件
• 3.3 网格无关性验证
• 3.3.1 表面摩擦系数的网格无关性验证
• 3.3.2 湍流边界层仿真验证
• 3.3.3 壁面网格展弦比对结果的影响
• 3.3.4 SWBLI网格无关性验证
• 3.4 算例验证
• 3.5 小结
• 第四章 轴对称激波与边界层相互作用仿真研究
• 4.1 锥形流场
• 4.2 二维分离区模型
• 4.2.1 激波诱导边界层分离预测曲线
• 4.2.2 分离点模型
• 4.2.3 分离区长度模型
• 4.3 表面摩擦系数的参考温度解法
• 4.4 轴对称分离区模型
• 4.4.1 轴对称等强度汇聚激波设计
• 4.4.2 激波入射点参数控制
• 4.4.3 轴对称分离点模型拟合
• 4.4.4 轴对称分离区长度模型拟合
• 4.5 小结
• 第五章 轴对称激波与圆锥边界层相互作用实验研究
• 5.1 圆锥边界层流动特性
• 5.1.1 圆锥边界层形态分析
• 5.1.2 圆锥边界层涡结构的攻角特性
• 5.2 轴对称激波与圆锥边界层相互作用的流场结构
• 5.2.1 轴对称汇聚激波与发散激波特性
• 5.2.2 轴对称激波与边界层相互作用的流场结构
• 5.3 小结
• 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果