V形钝前缘激波干扰非定常特性与波系调控

作     者：张英杰 

作者单位：中国科学技术大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李祝飞

授予年度：2023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：高超声速流动 V形钝前缘 非定常特性 气动载荷 激波干扰 气动载荷防护设计 

摘      要：高超声速内转式进气道因其出众的性能成为近年来备受关注的进气道设计方案之一。V形唇口作为内转式进气道前缘捕获型线的关键部分,却产生了多样化的激波干扰现象并通常伴有显著的非定常特性,导致壁面气动力热载荷严酷且分布规律复杂。鉴于此,本文采用风洞试验、数值模拟与理论方法,针对V形钝前缘的非定常流动规律以及壁面气动载荷防护方法开展研究。在来流马赫数4条件下,针对具有异侧激波规则反射结构的V形钝前缘构型,研究了有/无侧滑角时的流场非定常特性与壁面载荷规律。结果表明,激波规则反射后的气流在V字形根部形成了具有强非定常性的大范围流动分离。基于高速纹影的图像分析发现,无侧滑角来流条件下,分离激波存在“反相振荡和“同相振荡两种模式;在侧滑角影响下,两侧分离激波的耦合振荡模式被破坏,背风侧激波能量占比较高。在有/无侧滑角下,分离激波低频振荡的中心频率,经由分离区尺度与直前缘激波后气流速度无量纲化后,坍缩至同一数值。倒圆区域的壁面脉动压力均方根分布呈现为驻点低、两侧高的双峰特征,并在侧滑角的影响下整体向迎风侧偏移。V字形根部滞止区内的流场结构与壁面脉动压力对侧滑角非常敏感;与无侧滑角相比,迎风侧脉动压力峰值升高约1倍,脉动能量集中于窄带优势频率。基于波系调控的思想,提出了两种V形钝前缘的降热设计方案。在中心线形态保持不变的约束条件下,提出了采用椭圆形截面钝前缘促使激波干扰结构转变为同侧激波干扰的调控方案。以斜掠前缘驻点线热流小幅升高的代价,实现了壁面中心线热流大幅降低。基于V形钝前缘波系相似的特征,通过引入与圆形截面钝前缘相等价的半径比,建立了椭圆形截面钝前缘构型发生同侧激波干扰的判据。在中心线形态可设计的情况下,提出了一种无干扰光滑激波面V形钝前缘逆向设计方法,并给出了构造激波所需要满足的限制条件;通过求解对称面内的激波逆问题,获得了 V形钝前缘构型。相较于传统构型,逆向设计出的构型不仅壁面热流峰值显著降低,而且热流沿着中心线基本保持均匀分布。