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基于微型涡流发生器的激波/边界层干扰控制研究

王博  
【摘要】:激波/边界层干扰(SWBLI)广泛存在于高速飞行器流场中,对飞行器各部件及整体性能有着显著影响,特别是在迅速发展的超燃冲压发动机技术中,进气道内SWBLI引发的非定常流动分离已成为导致其性能下降甚至不启动的关键因素之一。微型涡流发生器以其在SWBLI控制中的有效性和鲁棒性而备受关注。本文采用高时空分辨率NPLS技术、超声速PIV技术,以及混合RANS/LES数值模拟方法对微型涡流发生器用于SWBLI控制的相关流动机理展开研究。 作为实验研究的难点和重要前提,本文在充分考虑非接触光学测量需求的基础上设计了可用于边界层转捩以及SWBLI流动机理研究的超声速静风洞及其配套组件,得到了高品质层流流场;实验中对静风洞中得到的层流边界层实施了转捩控制,并采用NPLS技术、PIV技术对湍流边界层拟序结构及速度分布作了分析。在混合RANS/LES数值模拟中采用Recycling-rescaling方法解决了非定常湍流边界层生成问题,得到了边界层底层的高低速条带结构、涡结构以及外层大尺度拟序结构,并通过局部采用浸入式边界(IB)技术解决了复杂构型的结构化网格生成问题,从而显著提高了大涡模拟方法对壁面湍流的模拟能力。 实验中采用NPLS技术清晰捕捉到SWBLI区域的瞬态结构,发现有/无分离状态下下游湍流边界层中湍流涡结构尺度的显著差异;实验与数值模拟结果均表明SWBLI区域瞬态流场存在明显的三维展向结构,且其回流区条带结构与上游湍流边界层底层速度条带分布有关。 为了澄清目前关于micro-ramp构型微型涡流发生器尾流场瞬态结构和动力学行为的分歧,研究中采用NPLS技术捕捉到micro-ramp尾流场各个方向的精细瞬态结构,发现其中存在有序的大尺度涡结构;结合数值模拟分析得出其尾流中的主流向逆旋涡对存在非对称性,在高速气流的剪切作用下尾流表面出现K-H涡,流向逆旋涡对出现失稳,逐渐耗散、破碎,并形成持续发展的环状涡结构;研究同时得出micro-ramp对上游边界层底层低速流具明显的收集作用,通过该收集作用及尾流中逆旋流向涡对的诱导作用可明显改善下游湍流边界层速度剖面。 在对micro-ramp控制下的SWBLI区域流场研究中,观察到micro-ramp尾流涡环结构与反射激波的相互作用,同时发现SWBLI区域速度及涡量场的显著变化。研究得出在本实验条件下涡流发生器可有效抑制激波诱导的湍流边界层分离,其作用机制与所处的涡流发生器展向位置有关,主要表现为提高来流湍流边界层饱满程度和通过尾流涡环结构强化SWBLI区域内外层之间的动量输运。


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