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高超声速内外流动激波/边界层相互作用的实验与数值研究

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摘要

第1章 绪论

1.1 高超声速流动与激波/边界层相互作用

1.2 激波/边界层相互作用现象的国内外研究进展

1.2.1 实验研究进展

1.2.2 理论研究进展

1.2.3 数值模拟研究进展

1.2.4 流动控制方法研究概况

1.3 本文的主要研究内容

第2章 实验设备与数值方法

2.1 高超声速实验设备

2.2 流动显示技术

2.3 压力、热流测量与数据采集系统

2.4 数值模拟方法

2.4.1 基于非结构网格的自适应有限体积程序—VAS2D

2.4.2 FLUENT软件简介

第3章 二维激波/边界层相互作用与流动控制

3.1 概述

3.2 二维激波/边界层相互作用

3.2.1 平板-尖劈构型

3.2.2 平板-压缩拐角构型

3.3 吹除控制斜激波/平板边界层相互作用

3.3.1 吹除气体射流总压对吹除控制激波/边界层相互作用的影响

3.3.2 吹除气体射流总温对吹除控制激波/边界层相互作用的影响

3.3.3 吹除气体射流组分对吹除控制激波/边界层相互作用的影响

3.4 二维顶压式高超声速进气道内激波/边界层相互作用

3.4.1 两级压缩二维顶压式进气道内部激波/边界层相互作用

3.4.2 针对两级压缩面交界位置的流动分离的控制措施

3.5 二维顶压式高超声速进气道唇口位置激波导致边界层分离的抽吸控制

3.6 本章小结

第4章 三维构型与三面压缩进气道内部激波/边界层相互作用

4.1 针对近壁面流动特征的流动显示方法

4.2 流谱分析与三维流动中璧面分离的判别

4.3 斜掠激波与平板边界层相互作用

4.3.1 流动显示方法观测近壁面流场特征

4.3.2 数值模拟方法检验

4.3.3 壁面压力与热流测量:实验与数值模拟对照

4.3.4 数值模拟得到的其他流场信息

4.4 三面压缩进气道流场结构与激波/边界层相互作用

4.4.1 三面压缩进气道内流动结构激波/边界层相互作用

4.4.2 三面压缩进气道内部流动分离的抽吸控制

4.5 本章小结

第5章 激波/激波相互作用

5.1 二维激波/激波相互作用

5.2 三维激波/激波相互作用

5.3 本章小结

第6章 总结与展望

6.1 本文主要结论与工作展望

6.2 本文主要特色与创新点

参考文献

在读期间发表的学术论文与其他的研究成果

致谢

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摘要

在吸气式高超声速飞行器内、外流场中,激波/边界层相互作用是一类不可忽视的重要流动现象。它会导致流场中空间波系的剧烈改变和壁面流动分离。同时带来飞行器气动力、气动热负荷的分布不均匀与非定常振荡。严重时会引起进气道的不起动,影响发动机的正常工作。分析激波/边界层相互作用的产生机理、演化规律与影响,并利用流动控制手段加以削弱和消除壁面流动分离,改善飞行器内外流场的流动品质,具有十分重要的工程意义和实际价值。
   本文通过实验研究和数值模拟相结合的方法,考察了多种基本构型以及典型高超声速进气道内部的激波/边界层相互作用现象。研究中考察了流场的空间波系结构、边界层内部流动特征以及壁面的压力、热流密度分布等参量。讨论了流动现象与构型参数之间的关系及演化规律。分析了激波/边界层相互作用现象对进气道工作状态的影响。针对不同构型条件下的激波/边界层相互作用,讨论分析了流动控制技术对于壁面流动分离的控制效果以及其他流动参数的改善状况。最后对激波/激波干扰的相关实验做了简要的介绍。
   本文取得的主要结果与进展如下:
   1、对二维基本构型的实验和数值研究得到了激波/边界层相互作用诱发壁面分离随激波强度变化的变化趋势,数值模拟和实验研究得到了较好的符合。针对二维斜激波/平板边界层相互作用,考察了吹除控制手段对壁面流动分离的控制效果和若干影响因素。得到了吹除总温、总压与分离区尺度以及壁面流动参量分布的关系。考察了不同吹除工质及多种工质的混合物对吹除控制效果的影响,得到了若干定性的结论。
   2、在实验中考察了两级压缩的二维顶压式进气道内部激波/边界层相互作用的流场特征及对进气道工作状态的影响并考察了涡发生器与粗糙壁面对压缩面交界处流动分离的控制效果。利用数值模拟手段考察了两种来流条件下唇口位置的流动分离特征及抽吸手段的对壁面分离的控制效果及进气道内部流动参数的改善状况。
   3、发展了新的以近壁面流动特征为关注对象的可应用于激波风洞等高速空气动力学试验设备中的丝线方法,并将其应用于三维激波/边界层相互作用的壁面流动特征观测。实验结果证明了该方法的有效性以及简便性、实时性等优点。针对平板-鳍板构型的三维激波/边界层相互作用的空间波系特征与壁面流动参数分布也通过数值手段得到了考察和分析。
   4、利用多种流动显示方法观测了三组三面压缩进气道内部的激波/边界层相互作用现象,讨论分析了进气道内部的空间波系和壁面流动的特征。实验中也考察了抽吸控制方法对进气道内部壁面流动分离的控制效果。
   5、最后简单讨论了实验中得到的激波/激波干扰的相关结果,对激波/激波干扰现象建立基本的了解。

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