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(nèi)、外流場中普遍存在著流動分離現(xiàn)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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)安全性等方面產(chǎn)生影響，相關(guān)問題的解決亟需對流動分離現(xiàn)象及其控制開展研究。流動分離現(xiàn)象與流場精細(xì)結(jié)構(gòu)及其動力學(xué)特性密切相關(guān)，開展相關(guān)研究具有重要的理論意義和工程應(yīng)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(shù)和超聲速PIV（Particle Image Velocimetry）技術(shù)分別對四種典型超聲速分離流動現(xiàn)象開展試驗研究，從流場精細(xì)時空結(jié)構(gòu)和動力學(xué)特性的角度研究分離流動現(xiàn)象；在此基礎(chǔ)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(nèi)容分為以下四部分：
　　首先，運用NPLS技術(shù)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(xì)結(jié)構(gòu)的空間特性及擬序結(jié)構(gòu)的動力學(xué)特性進(jìn)行了研究。試驗結(jié)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(zhuǎn)捩過程；模型的存在加速了邊界層的轉(zhuǎn)捩；在邊界層轉(zhuǎn)捩的初期，擬序結(jié)構(gòu)隨時間的變化較快，而在模型附近的擬序結(jié)構(gòu)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(xiàn)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(jīng)是充分發(fā)展的湍流；模型上面的邊界層大尺

4、度結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(guān)性統(tǒng)計分析來確定擬序結(jié)構(gòu)的平均尺度、形狀和結(jié)構(gòu)角。結(jié)果表明，擬序結(jié)構(gòu)的平均結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)橢圓形，這與觀察的結(jié)果基本一致；結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)角的范圍從35°到65°之間，與已有的類似模型的實驗結(jié)果相吻合。
　　再次，運用PIV技術(shù)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(jié)構(gòu)，對前兩個模型速度場和渦量場進(jìn)行了完備正交分解(Proper orthogonal decomposition，POD)分析。研究結(jié)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(xiàn)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(jié)果相一致；速度場的結(jié)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(jié)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(xiàn)率非常大，都超過了97％，說明對速度分布起主導(dǎo)作用的主要是第1階空間模態(tài)所對應(yīng)的流動結(jié)構(gòu)。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(xiàn)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(dǎo)作用的也是第1階空間模態(tài)所對應(yīng)的流動結(jié)構(gòu)；而第2到第10階的空間模態(tài)的相對貢獻(xiàn)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(jié)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(jìn)行流動控

8、制研究，運用NPLS和PIV技術(shù)研究了不同模型的流場結(jié)構(gòu)和速度場結(jié)構(gòu)，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(jié)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(jié)構(gòu)呈現(xiàn)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(jié)構(gòu)。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