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作者：

何刚

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摘要：

激波/边界层干扰是高超声速进气道流场中难以避免的流动现象.激波诱导的边界层分离会严重恶化进气道的流场品质,在低马赫数和高反压情况下还会导致进气道不启动.相比于二维激波/边界层干扰,三维激波/边界层干扰对进气道的影响更显著,流动机理更加复杂.本文运用理论,实验和数值模拟相结合的方法对后掠激波/湍流边界层干扰(SIOS/TBLI)的三维复杂流场进行了研究.研究了无粘流动中后掠入射斜激波(简称为后掠激波,SIOS)在下壁面上发生三维反射形成的流场,作为分析有粘干扰流场的基础.建立了SIOS反射流场的简化模型;提出了三维平面激波反射问题的分析方法,并将其用于判断SIOS反射流场的反射类型,求解了流场的所有参数;研究了SIOS的参数对反射流场的影响,揭示了SIOS转化为其特殊形式——扫掠激波(SS)的物理过程.研究了SIOS/TBLI三维流场的平均结构,建立了简化模型并分析了形成机理.根据理论预测选择典型工况,通过实验研究发现,分离的边界层为准圆锥形分布而外部的无粘波系结构为规则反射或马赫反射.分析了无粘条件下反射流场的结构和参数与有粘干扰流场的反射类型和压力平衡的关系,结果表明,SIOS的气流偏转角和后掠角增大都有使粘性干扰流场的波系结构从规则反射转换为马赫反射的趋势.基于以上研究对干扰流场结构建立了简化模型,分析了它的形成机理.研究了SIOS/TBLI流场的平均特性随雷诺数和无粘条件下反射流场参数的变化规律,建立了预测模型.利用SIOS的反射特性,将干扰强度和后掠效应区分开,分别研究它们对流场平均特性的影响规律.分析了平台压力的影响因素并建立了预测模型,此模型得到本文实验和文献中SS/TBLI数据的验证.分析了分离区壁面参数和流量参数的影响因素,结果表明:雷诺数越大,分离区的尺寸也就越小,但分离区的位置和分离区的流量变化较小;后掠角不变时,干扰强度越大,分离区的尺寸和流量越大,分离区相对于激波/壁面交线越靠近上游;干扰强度不变时,后掠角越大,分离区的尺寸和流量也越大,但分离区的位置变化较小.研究了SIOS/TBLI的特殊形式——SS/TBLI的流动机理.研究了流场的平均结构,提出了"λ"激波结构的简化模型并得到了两个定量关系:分离激波下游压力和壁面上的平台压力相等;分离激波在准圆锥形流区域内是平面激波且与平板的交线平行于上游影响线.基于这两个定量关系,发展了"λ"激波空间位置的理论预测方法,并研究了激波分叉对流场总压损失的有利影响及分离区对无粘波系的影响范围.将分离区与外部的"λ"激波看作一个处于压力平衡的系统,研究了这个系统在下游另一道同侧SS作用下达到一个新的压力平衡状态的过程,从而以更加深入的角度探究了SS/TBLI的内在压力平衡机理.研究了分离区壁面特征以及流量参数的影响因素,结果表明:随着侧压角增大,分离区的尺寸增大,分离区相对于无粘SS越靠近上游;来流边界层流体进入分离区的流量增大.

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