超聲速壓縮拐角流動機(jī)理及其流動分離控制的試驗研究.pdf

1、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(jìn)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(jī)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

2、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(jìn)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(jìn)行了詳細(xì)闡述，并分析了納米示蹤粒子的跟隨性和測

3、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(jìn)行了研究，獲得了壓縮拐角的精細(xì)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(dāng)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(dāng)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

4、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(dāng)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

5、對簡單。
　　基于高分辨率的NPLS圖像，本文對超聲速壓縮拐角流動的結(jié)構(gòu)特征進(jìn)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，

6、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(dāng)坡面角度為25°時，層流壓縮

7、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 Lsep-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Lsep-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(dāng)坡

8、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(kuò)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(kuò)大并向上游移動，分離區(qū)長度為 Lsep-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 Lsep-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

9、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Lsep-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(jìn)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(jìn)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