超聲速流動分離及其控制的試驗研究.pdf

1、超聲速/高超聲速飛行器的內、外流場中普遍存在著流動分離現象，涉及到多種影響因素，如激波與邊界層的相互作用、回流區(qū)、邊界層轉捩和湍流等。流動分離可能對飛行器飛行穩(wěn)定性控制和結構安全性等方面產生影響，相關問題的解決亟需對流動分離現象及其控制開展研究。流動分離現象與流場精細結構及其動力學特性密切相關，開展相關研究具有重要的理論意義和工程應用價值。在流動控制方面，微渦流發(fā)生器的有效性、魯棒性和對原流場較小的干擾性等優(yōu)點為流動分離的控制提供有效的

2、控制手段。本文采用基于納米示蹤的平面激光散射(Nano-tracer Planar Laser Scattering，NPLS)技術和超聲速PIV（Particle Image Velocimetry）技術分別對四種典型超聲速分離流動現象開展試驗研究，從流場精細時空結構和動力學特性的角度研究分離流動現象；在此基礎上，研究微渦流發(fā)生器對分離流動的控制效果。本文研究內容分為以下四部分：
　　首先，運用NPLS技術分別對超聲速流場中前臺

3、階、橢圓面模型、雙橢圓面模型和雙壓縮模型流場精細結構的空間特性及擬序結構的動力學特性進行了研究。試驗結果表明，在上游邊界層為層流的來流條件下，可以明顯的觀察到邊界層的轉捩過程；模型的存在加速了邊界層的轉捩；在邊界層轉捩的初期，擬序結構隨時間的變化較快，而在模型附近的擬序結構則存在明顯的變化慢的特點；在前三個模型的上游都有流動分離現象。在上游邊界層為湍流的來流條件下，來流的邊界層具有明顯的層次感，已經是充分發(fā)展的湍流；模型上面的邊界層大尺

4、度結構具有明顯的間歇性；在前三個模型的上游都有流動分離的存在，但是分離區(qū)的范圍比上游邊界層為層流的來流條件時小的多；在分離區(qū)及其下游，流場的擬序結構具有運動速度快而變化相對較慢的特性。
　　其次，對得到的流場 NPLS圖像做兩點相關性統(tǒng)計分析來確定擬序結構的平均尺度、形狀和結構角。結果表明，擬序結構的平均結構呈現橢圓形，這與觀察的結果基本一致；結構角有隨著壁面距離的增大而變大的趨勢。在上游邊界層為層流的來流條件下，分離區(qū)及其上游區(qū)

5、域擬序結構的結構角普遍較小，都不超過45°；在上游邊界層為湍流的來流條件下，分離區(qū)及其上游區(qū)域結構角的范圍從35°到65°之間，與已有的類似模型的實驗結果相吻合。
　　再次，運用PIV技術分別研究了超聲速流場中前臺階、橢圓面模型和雙橢圓面模型的速度場結構，對前兩個模型速度場和渦量場進行了完備正交分解(Proper orthogonal decomposition，POD)分析。研究結果表明：速度脈動主要發(fā)生在邊界層和分離區(qū)附近；渦

6、量的最大值出現在流動分離的分離點附近或模型的表面；速度場反映的分離區(qū)的范圍與流動顯示結果相一致；速度場的結果表明上游邊界層為層流的來流條件時回流區(qū)的范圍比湍流來流時要大的多，這證實了流動顯示的結果。在上游邊界層分別為層流和湍流的來流條件下，前臺階模型和橢圓面模型的速度場的POD分析表明：第1階空間模態(tài)的相對貢獻率非常大，都超過了97％，說明對速度分布起主導作用的主要是第1階空間模態(tài)所對應的流動結構。在上游邊界層分別為層流和湍流的來流條件

7、下，前臺階模型和橢圓面模型的渦量場 POD分析表明：第1階空間模態(tài)的相對貢獻率也比較大，約為總體的一半左右，表明對渦量場分布起主導作用的也是第1階空間模態(tài)所對應的流動結構；而第2到第10階的空間模態(tài)的相對貢獻率都大于1%，所以除第1階外的其余階空間模態(tài)也對渦量場起著較大的作用，這與速度場POD結果有很大的不同。
　　最后，采用Ashill和Anderson兩種微渦流發(fā)生器分別對前臺階、橢圓面模型、雙橢圓面模型和雙壓縮模型進行流動控

8、制研究，運用NPLS和PIV技術研究了不同模型的流場結構和速度場結構，對比了兩種微渦流發(fā)生器對流動分離控制效果的影響。試驗結果表明，Ashill微三角楔的尾流的可以分為兩個區(qū)域，第一個區(qū)域的擬序結構呈現顏色較暗的上升趨勢的特征，上升的平均角度大約為6.7°，略大于Ashill微三角楔的傾斜角度5.7°；后一個區(qū)域的特征是間歇性的大尺度渦結構。在Ashill和Anderson兩種微渦流發(fā)生器對模型的控制下，其尾跡流場總體上仍可以分為以上兩