超声速边界层抽吸孔隙流场结构研究

作     者：赵健 

作者单位：国防科学技术大学 

学位级别：硕士

导师姓名：范晓樯

授予年度：2016年

学科分类：080103[工学-流体力学] 08[工学] 080104[工学-工程力学] 0801[工学-力学（可授工学、理学学位）] 

主      题：超声速边界层 抽吸 流场结构 流量系数 

摘      要：边界层抽吸在控制边界层发展、降低激波边界层干扰、抑制边界层分离上作用明显,是目前能够应用于超/高超声速进气道最为简单、现实和可靠的流动控制手段。在工程应用中比较常见,但目前有关壁面抽吸孔隙附近流场结构的研究并不深入,因此开展相应的研究对于明晰抽吸的内在机理,寻求最佳抽吸方案有着重要意义。本文通过试验与数值计算相结合的方式对壁面孔隙边界层抽吸的流场结构开展了系统深入的研究。在数值计算方面,对不同工况、不同形状的抽吸孔隙流场结构开展了研究,提取了性能参数,同时总结了规律。在试验方面,设计加工了抽吸腔反压可调,抽吸槽尺寸可变,抽吸流量可测,同时可进行光学测量的试验装置及相关系统试验部件,然后利用NPLS、纹影两种流动显示技术得到了不同工况下的抽吸槽附近局部流场结构,同时还使用音速喷嘴测量了试验过程中的抽吸流量。首先,本文通过对数值计算结果的分析,按照抽吸槽内气体流速将超声速边界层抽吸分为三类:亚声速型抽、临界声速型抽吸、超声速型抽吸。对不同抽吸类型的流场结构及音速流量系数随流场参数变化情况开展的研究表明,各个流场参数对流场结构的影响是相互耦合的,且不同的抽吸类型其影响机制有所差异。根据抽吸槽内分离区的形状差异定义了两种抽吸槽内分离区形状:开口和闭口。具体抽吸槽内分离区处于何种状态取决于抽吸槽深宽比以及抽吸腔反压。其次,试验方面通过NPLS流动显示技术获得了抽吸槽附近局部精细流场结构,分析了不同抽吸腔反压时抽吸槽内流场结构的发展过程,同时通过对纹影技术所得抽吸槽附近局部流场结构的分析,进一步剖析了流场结构随流场参数的变化情况。另外试验测量了不同工况下的抽吸质量流量,最后通过与数值计算结果的对比分析对数值计算方法进行了验证。再者,对不同构型的三维抽吸孔隙开展了数值计算,包括横向槽、纵向槽、三角孔、圆孔及多孔排列情况。对不同抽吸孔隙的流场结构特点进行了分析,并结合音速流量系数对抽吸性能进行了对比分析。结果表明,不同构型的抽吸孔隙其流场结构组成部分相同,分布情况相似但各有特点,抽吸性能也各有所异。三角孔与纵向槽的抽吸性能明显强于横向槽,另外三角孔抽吸性能强于纵向槽。研究表明,抽吸孔隙内流场三维效应越强,抽吸性能越强。研究结果不仅具有较强的工程实用价值,同时对超声速进气道中抽吸装置的设计具有重要指导意义最后,选取超声速进气道简化构型布置一系列抽吸槽,研究了不同激波入射位置时抽吸槽附近流场结构,包括节流工况和非节流工况。另外在抽吸腔内布置中心隔板开展了相应的工作,研究结果表明,抽吸槽抽吸能力与入射激波位置、抽吸腔出口节流情况以及抽吸腔内中心隔板密切相关。