超聲速壓縮拐角流動機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氣道、控制面等結構中，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構、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雜湍流機理研究的重要內(nèi)容，而且在飛行器氣動外形設計和結構優(yōu)化等工程領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、結構特征定量分

2、析和速度場結構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洞和基于納米示蹤的平面激光散射技術（Nano-tracer Planar Laser Scattering）以及粒子圖像速度場技術(Particle Image Velocimetry)，對NPLS和PIV測試系統(tǒng)的工作原理進行了詳細闡述，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構進行了研究，獲得了壓縮拐角的精細流動結構圖像，研究了時間平均的流場結構特征和流動結構隨時間的演化特性。當坡面角度為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、再附激波等結構；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)域的結構非常復雜；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)域的結構也相

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構特征進行了定量的分析，研究了邊界層的間歇特性，計算了邊界層擬序結構的大小和結構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果與Klebanoff對不可壓邊界層間歇因子的測量結果一致。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。通過空間相關性分析得到的邊界層擬序結構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構沿流向逐漸增大，湍流壓縮拐角的邊界層擬序結構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構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構。當坡面角度為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，剪切層結構逐步成型并穩(wěn)定增長，x方向的速度分布表現(xiàn)為分層結構，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)為分層結構，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)了分層的結構，y方向速度的分布體現(xiàn)了激波和回流結構對流動的影響，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)為分層結構，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測量的結果，本文對壓縮拐角的速度場結構進行了POD（Proper Orthogonal Decomposition）分解，分析了速度場結構的主次特征。
　　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行了控制研究，運用 NPLS和PIV技術獲得了在渦流發(fā)生器控制