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超声速边界层及激波与边界层相互作用的实验研究

何霖  
【摘要】:超声速边界层及激波与边界层相互作用的研究不仅在航空航天和武器装备研制中具有重要的工程意义,同时也是可压缩湍流机理研究的重要内容。超声速边界层及激波/边界层相互作用流动速度高,三维特性和非定常特性明显,流动结构复杂,这些特点对实验研究提出了严峻的挑战。本文采用实验研究的方法,从时空结构、动力学行为和密度场特性等方面对Ma = 3.0平板边界层及激波与湍流边界层相互作用进行了深入研究。 本文首先介绍了用于实验研究的风洞设备和相关测量技术,其中包括基于纳米粒子的平面激光散射(Nanoparticle-based Planar Laser Scattering, NPLS)技术、超声速PIV(Particle Image Velocimetry)技术以及超声速流动密度场测量技术,介绍了相关技术的基本原理和组成,分析了相关技术的性能参数和测量误差。超声速边界层拟序结构十分复杂,本文采用NPLS技术研究了超声速边界层在转捩过程和进入充分发展湍流阶段的拟序结构,分别从流向和不同高度展向平面研究了拟序结构的空间特征和时间演化特性。边界层拟序结构在层流阶段、转捩阶段和湍流阶段变化明显,在转捩进入湍流的初期和充分发展湍流阶段,边界层拟序结构同样存在一定差别。此外,超声速边界层流动具有运动快、变化慢的运动特点。借助经典的发卡涡模型从流动图像中清晰地识别出独立发卡涡和发卡涡包结构,同时发现超声速边界层H-型转捩的直接证据。利用高分辨率的NPLS图像,为提取更多边界层特性提供了便利。本文利用NPLS图像研究了湍流边界层的间歇特性,其与低速不可压边界层基本一致。通过对边界层转捩过程流动结构的分形分析发现,在层流阶段分析维数基本为1;在转捩过程中分析维数逐渐增加;进入湍流阶段,分析维数基本保持在1.5左右。 超声速边界层运动速度高、速度梯度大,增加了速度场测量的难度。借助超声速PIV技术,本文研究了边界层在转捩过程的流向速度分布,在层流阶段平均速度剖面与Blasius剖面吻合,随着转捩的发展,速度剖面逐渐变得饱满。在湍流阶段,速度剖面与Spalding剖面比较吻合。通过平均速度剖面计算了边界层厚度沿流动方向的分布,在层流阶段边界层厚度沿流动方向增长较快;但是在转捩过程和转捩进入湍流的初期,边界层厚度增长十分缓慢;在边界层进入湍流后的一定发展阶段,边界层厚度再次出现快速增长。同时还研究了充分发展湍流边界层的速度场结构,分析了超声速湍流边界层的平均和脉动属性;采用不同的速度分解方法从流向瞬态速度场中识别出发卡涡包结构;从较低高度展向瞬态速度中发现低速和高速条带结构,但从较高平面展向瞬态速度场中没有发现类似结构存在。 密度场测量是超声速流动测量中的难点问题,本文采用超声速流动密度场测量技术研究了Ma = 3.0充分发展湍流边界层的密度场分布,实验结果与理论估算和已有的实验结果相吻合。借助高分辨率密度场测量结果分析了密度脉动的频谱特性,发现密度脉动中低频分量与高频分量所占比重基本一致。 超声速流动中多个流场参数之间存在一定的相关性,为研究这种相关性,需要实现对多个流场参数的同时测量。借助NPLS技术的原理,本文提出了一种超声速流动速度场、密度场同时测量技术,介绍了这种技术的基本原理,并将该技术成功地应用于超声速湍流边界层的实验研究。研究发现质量流量脉动和密度脉动之间具有较好的一致性,而速度脉动与密度脉动之间的相关性不大。借助同时测量数据实现了超声速边界层雷诺应力的测量,在Ma = 3.0的流动条件下,密度脉动对雷诺应力的影响可以忽略不计,但密度变化的影响较大。 激波与湍流边界层相互作用具有很强的空间三维特性和时间非定常特性,采用NPLS技术,本文研究激波与湍流边界层相互作用的空间结构。发现来流边界层拟序结构对激波与边界层相互作用具有一定的影响,但激波/边界层相互作用的时间尺度却远远大于湍流边界层的时间尺度。研究了不同强度入射激波与湍流边界层的相互作用,发现随着入射激波的增强,流动的非定常性明显增强。采用超声速PIV技术研究了激波/边界层相互作用的动力学行为。研究发现:随着入射激波的增强,在流向平均速度场中发现回流流动。从展向瞬态速度场中发现来流边界层的速度脉动对激波/边界层相互作用的流动结构具有明显的作用,同时发现分离区内明显的三维旋涡结构。


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