超聲速氣流中爆震波與邊界層相互作用機理研究.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)動機（ODE）燃燒室中的重要流動和燃燒機制，能夠顯著影響斜爆震局部燃燒及駐定特性，進而影響發(fā)動機整體性能。由于ODE尚處在概念階段，人們對DWBLI的認識程度遠遠不及激波與邊界層的相互作用（SWBLI）。本文通過理論分析、數(shù)值模擬和實驗相結合的方法，系統(tǒng)研究了DWBLI機理。
　　首先，開展了無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系式以及爆震極曲線

2、，確認了放熱量和波前、波后比熱比對爆震極曲線的影響規(guī)律；運用雙波及三波理論討論了斜爆震反射的極曲線表示，并結合數(shù)值模擬確認了斜爆震反射的規(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與真實爆震波非單鋒性之間存在偏差。只有當爆震波后接近化學平

3、衡極限時，單鋒模型才近似成立，從而雙波及三波理論近似成立，而當爆震波后是化學非平衡流時，單鋒模型不再成立，運用雙波及三波理論將產生顯著偏差。
　　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流場的波系特性，指出可能存在的流場波系組合，并分別進行了數(shù)值模擬研究。結果表明逆壓梯度和邊界層化學反應放熱共同影響DWBLI流場的分離區(qū)尺度。分離區(qū)中的化學反應放熱使分離區(qū)尺度增大，且分離點附近的邊界層流動成為非

4、等熵流。因此，DWBLI流場的分離區(qū)平臺壓力不能通過自由相互作用理論準確預測。分離波的類型（激波或爆震波）會影響分離區(qū)平臺壓力和分離區(qū)尺度。當分離波分別為爆震波和激波時，前者的分離區(qū)平臺壓力高于后者，原因在于前者分離區(qū)中化學反應更劇烈，非等熵性更強；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的抵抗流場總逆壓梯度的能力。研究了粘性條件下斜爆震的反射遲滯現(xiàn)象。通過極曲線分析，表明有粘條件下的斜爆震反射流場解與

5、無粘條件下存在顯著不同，且不同類型的分離波將導致不同的反射流場解。在數(shù)值模擬中，來流湍流強度對基于RANS方法模擬的斜爆震反射遲滯現(xiàn)象具有重要影響。當來流湍流強度較低或來流為層流流態(tài)時，數(shù)值模擬能夠獲得斜爆震反射遲滯現(xiàn)象。而當來流湍流強度較高時，數(shù)值模擬無法得到反射遲滯現(xiàn)象，即通過改變來流馬赫數(shù)，規(guī)則反射和馬赫反射以連續(xù)的方式相互轉變。這一現(xiàn)象是否符合物理實際，有待進一步實驗驗證。
　　接著，研究了斜坡誘導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混風洞中控制斜爆震起爆的關鍵參數(shù)，并通過實驗發(fā)現(xiàn)來流馬赫數(shù)及溫度對斜爆震起爆具有正、反雙重作用。發(fā)現(xiàn)來流邊界層效應能夠顯著改變斜爆震波的形態(tài)。當邊界層分離區(qū)尺度較小時，斜爆震波呈突躍型；當分離區(qū)尺度較大時，斜爆震波呈平滑型；當分離區(qū)尺度中等時，斜爆震波呈間歇突躍型。來流邊界層效應對斜爆震駐定形態(tài)的影響也通過數(shù)值模擬得到了驗證。此外，還對比了斜坡誘導下的斜爆震波和入射斜爆震波與邊界層相互作用流場

7、的異同，發(fā)現(xiàn)當分離波類型相同時，兩種流場才具有相似性。
　　最后，研究了其它類型剪切流動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特性，表明凹腔剪切層再附后產生的斜爆震具有雙滑移線結構。研究了非均勻來流中斜爆震的起爆和駐定特性。結果表明斜爆震波在非均勻來流中表現(xiàn)出了良好的適應性，可實現(xiàn)起爆和穩(wěn)定駐定。這使斜爆震發(fā)動機對來流均勻性的要求降低，對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)值驗證了超聲速氣流