超聲速氣流中爆震波與邊界層相互作用機(jī)理研究.pdf

1、超聲速氣流中爆震波與邊界層相互作用（DWBLI）是斜爆震發(fā)動(dòng)機(jī)（ODE）燃燒室中的重要流動(dòng)和燃燒機(jī)制，能夠顯著影響斜爆震局部燃燒及駐定特性，進(jìn)而影響發(fā)動(dòng)機(jī)整體性能。由于ODE尚處在概念階段，人們對(duì)DWBLI的認(rèn)識(shí)程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及激波與邊界層的相互作用（SWBLI）。本文通過(guò)理論分析、數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，系統(tǒng)研究了DWBLI機(jī)理。
　　首先，開(kāi)展了無(wú)粘超聲速氣流中斜爆震反射研究。分析了考慮變比熱比的斜爆震基本關(guān)系式以及爆震極曲線(xiàn)

2、，確認(rèn)了放熱量和波前、波后比熱比對(duì)爆震極曲線(xiàn)的影響規(guī)律；運(yùn)用雙波及三波理論討論了斜爆震反射的極曲線(xiàn)表示，并結(jié)合數(shù)值模擬確認(rèn)了斜爆震反射的規(guī)則反射區(qū)、馬赫反射區(qū)和雙解區(qū)以及雙解區(qū)內(nèi)規(guī)則反射的不穩(wěn)定性和反射遲滯現(xiàn)象。指出在受限空間中，斜爆震在壁面的反射使其駐定范圍小于理論駐定范圍。討論了雙波及三波理論在爆震反射研究中的適用性，指出該理論所具有的局限性在于理論所基于的爆震波單鋒模型假設(shè)與真實(shí)爆震波非單鋒性之間存在偏差。只有當(dāng)爆震波后接近化學(xué)平

3、衡極限時(shí)，單鋒模型才近似成立，從而雙波及三波理論近似成立，而當(dāng)爆震波后是化學(xué)非平衡流時(shí)，單鋒模型不再成立，運(yùn)用雙波及三波理論將產(chǎn)生顯著偏差。
　　隨后，研究了考慮粘性的入射斜爆震波的反射及與邊界層相互作用。分析了DWBLI流場(chǎng)的波系特性，指出可能存在的流場(chǎng)波系組合，并分別進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。結(jié)果表明逆壓梯度和邊界層化學(xué)反應(yīng)放熱共同影響DWBLI流場(chǎng)的分離區(qū)尺度。分離區(qū)中的化學(xué)反應(yīng)放熱使分離區(qū)尺度增大，且分離點(diǎn)附近的邊界層流動(dòng)成為非

4、等熵流。因此，DWBLI流場(chǎng)的分離區(qū)平臺(tái)壓力不能通過(guò)自由相互作用理論準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。分離波的類(lèi)型（激波或爆震波）會(huì)影響分離區(qū)平臺(tái)壓力和分離區(qū)尺度。當(dāng)分離波分別為爆震波和激波時(shí)，前者的分離區(qū)平臺(tái)壓力高于后者，原因在于前者分離區(qū)中化學(xué)反應(yīng)更劇烈，非等熵性更強(qiáng)；分離區(qū)尺度則是前者小于后者，原因在于前者較高的分離區(qū)壓力為邊界層提供了更強(qiáng)的抵抗流場(chǎng)總逆壓梯度的能力。研究了粘性條件下斜爆震的反射遲滯現(xiàn)象。通過(guò)極曲線(xiàn)分析，表明有粘條件下的斜爆震反射流場(chǎng)解與

5、無(wú)粘條件下存在顯著不同，且不同類(lèi)型的分離波將導(dǎo)致不同的反射流場(chǎng)解。在數(shù)值模擬中，來(lái)流湍流強(qiáng)度對(duì)基于RANS方法模擬的斜爆震反射遲滯現(xiàn)象具有重要影響。當(dāng)來(lái)流湍流強(qiáng)度較低或來(lái)流為層流流態(tài)時(shí)，數(shù)值模擬能夠獲得斜爆震反射遲滯現(xiàn)象。而當(dāng)來(lái)流湍流強(qiáng)度較高時(shí)，數(shù)值模擬無(wú)法得到反射遲滯現(xiàn)象，即通過(guò)改變來(lái)流馬赫數(shù)，規(guī)則反射和馬赫反射以連續(xù)的方式相互轉(zhuǎn)變。這一現(xiàn)象是否符合物理實(shí)際，有待進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
　　接著，研究了斜坡誘導(dǎo)下的斜爆震波與邊界層的相

6、互作用（RDWBLI）。分析了在高焓超聲速預(yù)混風(fēng)洞中控制斜爆震起爆的關(guān)鍵參數(shù)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)來(lái)流馬赫數(shù)及溫度對(duì)斜爆震起爆具有正、反雙重作用。發(fā)現(xiàn)來(lái)流邊界層效應(yīng)能夠顯著改變斜爆震波的形態(tài)。當(dāng)邊界層分離區(qū)尺度較小時(shí)，斜爆震波呈突躍型；當(dāng)分離區(qū)尺度較大時(shí)，斜爆震波呈平滑型；當(dāng)分離區(qū)尺度中等時(shí)，斜爆震波呈間歇突躍型。來(lái)流邊界層效應(yīng)對(duì)斜爆震駐定形態(tài)的影響也通過(guò)數(shù)值模擬得到了驗(yàn)證。此外，還對(duì)比了斜坡誘導(dǎo)下的斜爆震波和入射斜爆震波與邊界層相互作用流場(chǎng)

7、的異同，發(fā)現(xiàn)當(dāng)分離波類(lèi)型相同時(shí)，兩種流場(chǎng)才具有相似性。
　　最后，研究了其它類(lèi)型剪切流動(dòng)中爆震的起爆和傳播特性。分析了斜爆震波與凹腔剪切層相互作用流場(chǎng)特性，表明凹腔剪切層再附后產(chǎn)生的斜爆震具有雙滑移線(xiàn)結(jié)構(gòu)。研究了非均勻來(lái)流中斜爆震的起爆和駐定特性。結(jié)果表明斜爆震波在非均勻來(lái)流中表現(xiàn)出了良好的適應(yīng)性，可實(shí)現(xiàn)起爆和穩(wěn)定駐定。這使斜爆震發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)來(lái)流均勻性的要求降低，對(duì)其在高超聲速條件下的工作是十分有利的。此外，本文還數(shù)值驗(yàn)證了超聲速氣流