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高超聲速飛行器近壁典型流場精細結構 版權信息
- ISBN：9787030693006
- 條形碼：9787030693006 ; 978-7-03-069300-6
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
高超聲速飛行器近壁典型流場精細結構 內容簡介
高超聲速飛行器近壁流場精細結構共分為7章，包括緒論、超聲速流動實驗系統與數值方法、附壁三角翼超聲速繞流精細結構與動力學特性、超聲速圓柱繞流流場擬序渦與復雜波系結構特性、超聲速半球繞流分離、再附及尾跡結構、超聲速流場自持合成射流精細結構與控制和超聲速湍流邊界層精細結構與控制（本章為直接數值模擬）。分別采用高分辨率NPLS技術和直接數值模擬技術，對三角翼、圓柱、半球三種構型超聲速近壁繞流流場精細結構及超聲速自持合成射流、湍流邊界層的精細結構與控制進行深入研究，為超聲速/高超聲速飛行器內等。
高超聲速飛行器近壁典型流場精細結構 目錄
高超聲速出版工程
目錄
叢書序
前言
第1章 緒論/1
1.1 研究背景及意義/1
1.2 附壁典型結構流場/3
1.2.1 壁面典型結構分類/3
1.2.2 附壁三角翼結構流場/4
1.2.3 附壁圓柱結構流場/7
1.2.4 附壁錐體、方臺等結構流場/9
1.3 高超聲速飛行器典型結構流場研究面臨的問題/9
1.4 小結/10
參考文獻/12
第2章 實驗系統/23
2.1 引言/23
2.2 超聲速靜風洞/23
2.2.1 超聲速靜風洞氣動及結構設計/23
2.2.2 流場校測/25
2.3 實驗模型/26
2.3.1 附壁三角翼模型/26
2.3.2 附壁有限高圓柱模型/28
2.3.3 附壁半球結構模型/29
2.4 流場NPLS測量系統/30
2.4.1 NPLS系統組成及工作原理/30
2.4.2 NPLS系統性能分析/31
2.5 流場PIV測量系統/36
2.5.1 超聲速PIV系統的組成及工作原理/36
2.5.2 超聲速PIV技術的測量誤差分析/36
2.6 超聲速密度場測量方法/38
2.6.1 NPLS實驗圖像校準/38
2.6.2 測量方法/39
2.7 小結/40
參考文獻/40
第3章 附壁三角翼結構超聲速流場精細結構/42
3.1 激波結構/42
3.2 擬序渦結構高分辨率成像/45
3.2.1 流向切面擬序渦結構時空特征/45
3.2.2 展向切面擬序渦結構時空特征/51
3.2.3 橫向截面渦結構/55
3.3 速度場精細測量/57
3.3.1 對稱面速度場結構/57
3.3.21/4剖面速度場結構/60
3.3.31/2剖面速度場結構/63
3.4 流場密度測量與脈動特性/67
3.4.1 密度場結構/67
3.4.2 渦結構對密度脈動的影響/68
3.4.3 壁面效應對密度脈動的影響/70
3.4.4 密度脈動非定常特性研究/72
3.5 密度脈動信號多分辨率分析/74
3.6 小結/78
參考文獻/79
第4章 附壁圓柱結構超聲速繞流流場精細結構/80
4.1 激波結構/80
4.2 擬序渦結構時空演化特征/84
4.2.1 流向切面擬序渦結構時空演化特征/85
4.2.2 展向切面渦結構時空演化特征/97
4.3 速度場結構/106
4.3.1 復雜波系干擾區域的速度場結構/107
4.3.2 尾跡區域的速度場結構/109
4.4 繞流密度場結構及其脈動特性/111
4.4.1 超聲速圓柱繞流密度場結構/111
4.4.2 密度脈動的沿程變化/112
4.4.3 尾跡與壁面相互作用對密度脈動的影響/114
4.4.4 不同時刻密度場脈動特征/116
4.5 流場拓撲結構實驗與數值模擬/118
4.5.1 相同模型實驗與計算結果對比分析/118
4.5.2 尺度效應對圓柱繞流拓撲結構的影響/119
4.6 小結/123
參考文獻/124
第5章 附壁半球結構超聲速繞流流場精細結構/125
5.1 激波結構/125
5.2 擬序渦結構時空演化特征/128
5.2.1 流向切面渦結構高分辨率定量成像/129
5.2.2 展向切面渦結構高分辨率定量成像/139
5.3 分離區、回流區及尾跡的動力學特性/149
5.4 密度場時空特性/154
5.4.1 密度場定量測量/154
5.4.2 半球尾流渦結構對密度脈動的作用效應/155
5.4.3 壁面效應對密度脈動的特性/157
5.4.4 密度脈動非定常性/159
5.5 流場拓撲結構實驗與數值模擬/160
5.5.1 實驗與數值模擬對比分析/160
5.5.2 不同尺度超聲速半球繞流拓撲結構/163
5.6 小結/166
參考文獻/167
第6章 超聲速流場自持合成射流精細結構與控制/169
6.1 引言/169
6.2 自持合成射流超聲速流場精細結構/170
6.2.1 實驗裝置介紹/170
6.2.2 自持合成射流流向瞬時流場特性/172
6.2.3 自持合成射流展向瞬時流場特性/175
6.2.4 自持合成射流流向渦的演化特性/178
6.2.5 射流穿透深度與動量通量比/180
6.3 自持合成射流超聲速邊界層轉捩控制研究/181
6.3.1 實驗裝置介紹/181
6.3.2 自持合成射流超聲速邊界層轉捩流場精細結構/182
6.4 自持合成射流超聲速前臺階流動分離控制研究/186
6.4.1 實驗裝置介紹/186
6.4.2 前臺階瞬時流場特性/186
6.4.3 自持合成射流前臺階流場控制精細結構/188
6.4.4 自持合成射流前臺階流場密度脈動特性/190
6.5 小結/195
參考文獻/195
第7章 超聲速湍流邊界層精細結構與控制/197
7.1 引言/197
7.2 超聲速湍流邊界層湍流統計與結構分析/197
7.2.1 來流條件與數值設置/197
7.2.2 瞬時流場特性/200
7.2.3 湍流統計分析/202
7.2.4 湍流結構分析/208
7.2.5 湍流摩阻分析/213
7.2.6 湍動能平衡方程/218
7.3 基于流向條紋壁面吹氣控制的超聲速湍流邊界層統計與結構分析/221
7.3.1 控制思路與數值設置/221
7.3.2 湍流統計分析/222
7.3.3 湍流結構分析/228
7.3.4 壁面摩阻分析/234
7.4 基于速度溫度耦合控制的超聲速湍流邊界層統計與結構分析/236
7.4.1 控制思路與數值設置/236
7.4.2 湍流統計分析/238
7.4.3 湍流結構分析/248
7.4.4 湍流摩阻分析/253
7.5 小結/256
參考文獻/256
目錄
叢書序
前言
第1章 緒論/1
1.1 研究背景及意義/1
1.2 附壁典型結構流場/3
1.2.1 壁面典型結構分類/3
1.2.2 附壁三角翼結構流場/4
1.2.3 附壁圓柱結構流場/7
1.2.4 附壁錐體、方臺等結構流場/9
1.3 高超聲速飛行器典型結構流場研究面臨的問題/9
1.4 小結/10
參考文獻/12
第2章 實驗系統/23
2.1 引言/23
2.2 超聲速靜風洞/23
2.2.1 超聲速靜風洞氣動及結構設計/23
2.2.2 流場校測/25
2.3 實驗模型/26
2.3.1 附壁三角翼模型/26
2.3.2 附壁有限高圓柱模型/28
2.3.3 附壁半球結構模型/29
2.4 流場NPLS測量系統/30
2.4.1 NPLS系統組成及工作原理/30
2.4.2 NPLS系統性能分析/31
2.5 流場PIV測量系統/36
2.5.1 超聲速PIV系統的組成及工作原理/36
2.5.2 超聲速PIV技術的測量誤差分析/36
2.6 超聲速密度場測量方法/38
2.6.1 NPLS實驗圖像校準/38
2.6.2 測量方法/39
2.7 小結/40
參考文獻/40
第3章 附壁三角翼結構超聲速流場精細結構/42
3.1 激波結構/42
3.2 擬序渦結構高分辨率成像/45
3.2.1 流向切面擬序渦結構時空特征/45
3.2.2 展向切面擬序渦結構時空特征/51
3.2.3 橫向截面渦結構/55
3.3 速度場精細測量/57
3.3.1 對稱面速度場結構/57
3.3.21/4剖面速度場結構/60
3.3.31/2剖面速度場結構/63
3.4 流場密度測量與脈動特性/67
3.4.1 密度場結構/67
3.4.2 渦結構對密度脈動的影響/68
3.4.3 壁面效應對密度脈動的影響/70
3.4.4 密度脈動非定常特性研究/72
3.5 密度脈動信號多分辨率分析/74
3.6 小結/78
參考文獻/79
第4章 附壁圓柱結構超聲速繞流流場精細結構/80
4.1 激波結構/80
4.2 擬序渦結構時空演化特征/84
4.2.1 流向切面擬序渦結構時空演化特征/85
4.2.2 展向切面渦結構時空演化特征/97
4.3 速度場結構/106
4.3.1 復雜波系干擾區域的速度場結構/107
4.3.2 尾跡區域的速度場結構/109
4.4 繞流密度場結構及其脈動特性/111
4.4.1 超聲速圓柱繞流密度場結構/111
4.4.2 密度脈動的沿程變化/112
4.4.3 尾跡與壁面相互作用對密度脈動的影響/114
4.4.4 不同時刻密度場脈動特征/116
4.5 流場拓撲結構實驗與數值模擬/118
4.5.1 相同模型實驗與計算結果對比分析/118
4.5.2 尺度效應對圓柱繞流拓撲結構的影響/119
4.6 小結/123
參考文獻/124
第5章 附壁半球結構超聲速繞流流場精細結構/125
5.1 激波結構/125
5.2 擬序渦結構時空演化特征/128
5.2.1 流向切面渦結構高分辨率定量成像/129
5.2.2 展向切面渦結構高分辨率定量成像/139
5.3 分離區、回流區及尾跡的動力學特性/149
5.4 密度場時空特性/154
5.4.1 密度場定量測量/154
5.4.2 半球尾流渦結構對密度脈動的作用效應/155
5.4.3 壁面效應對密度脈動的特性/157
5.4.4 密度脈動非定常性/159
5.5 流場拓撲結構實驗與數值模擬/160
5.5.1 實驗與數值模擬對比分析/160
5.5.2 不同尺度超聲速半球繞流拓撲結構/163
5.6 小結/166
參考文獻/167
第6章 超聲速流場自持合成射流精細結構與控制/169
6.1 引言/169
6.2 自持合成射流超聲速流場精細結構/170
6.2.1 實驗裝置介紹/170
6.2.2 自持合成射流流向瞬時流場特性/172
6.2.3 自持合成射流展向瞬時流場特性/175
6.2.4 自持合成射流流向渦的演化特性/178
6.2.5 射流穿透深度與動量通量比/180
6.3 自持合成射流超聲速邊界層轉捩控制研究/181
6.3.1 實驗裝置介紹/181
6.3.2 自持合成射流超聲速邊界層轉捩流場精細結構/182
6.4 自持合成射流超聲速前臺階流動分離控制研究/186
6.4.1 實驗裝置介紹/186
6.4.2 前臺階瞬時流場特性/186
6.4.3 自持合成射流前臺階流場控制精細結構/188
6.4.4 自持合成射流前臺階流場密度脈動特性/190
6.5 小結/195
參考文獻/195
第7章 超聲速湍流邊界層精細結構與控制/197
7.1 引言/197
7.2 超聲速湍流邊界層湍流統計與結構分析/197
7.2.1 來流條件與數值設置/197
7.2.2 瞬時流場特性/200
7.2.3 湍流統計分析/202
7.2.4 湍流結構分析/208
7.2.5 湍流摩阻分析/213
7.2.6 湍動能平衡方程/218
7.3 基于流向條紋壁面吹氣控制的超聲速湍流邊界層統計與結構分析/221
7.3.1 控制思路與數值設置/221
7.3.2 湍流統計分析/222
7.3.3 湍流結構分析/228
7.3.4 壁面摩阻分析/234
7.4 基于速度溫度耦合控制的超聲速湍流邊界層統計與結構分析/236
7.4.1 控制思路與數值設置/236
7.4.2 湍流統計分析/238
7.4.3 湍流結構分析/248
7.4.4 湍流摩阻分析/253
7.5 小結/256
參考文獻/256
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高超聲速飛行器近壁典型流場精細結構 節選
第1章 緒論 高超聲速飛行器內、外流場涉及多種復雜的流動現象，如邊界層轉捩、復雜激波干擾、激波誘導邊界層分離、再附激波與尾跡的相互作用等。基于壁面突起物的流動控制技術可有效控制相關流場，對飛行器的氣動、動力和控制等性能具有十分重要的影響。因此，開展高超聲速飛行器近壁典型流場精細結構研究，不但可以為現代高超聲速飛行器設計提供基礎性技術支撐，還可以帶動相關領域的研究工作，具有重要的理論研究價值和廣泛的工程應用價值。 1.1 研究背景及意義 近年來，高超聲速飛行器日益成為各國研究發展的熱點，為保證高超聲速飛行器能夠正常工作，通常在其表面安裝突起部件，如尾翼、控制舵、電纜罩、天線窗等，由此導致局部流場結構的改變，不可避免會出現激波、激波與邊界層干擾、邊界層轉捩、湍流邊界層、分離渦等復雜的流場結構，圖1.1所示為高超聲速飛行器部件之間相互干擾的典型結構［1，2］。同時這些復雜流動還會導致流動出現較強的非定常性及局部區域的強熱傳導，這些都會對飛行器的性能產生較大影響，若能對其實施合適的控制則可以很好地改善飛行器的性能［3，4］。雖然自20世紀40年代人們注意到高速氣流中激波/邊界層相互作用的問題以來，從理論、計算和實驗方面對這些復雜流動結構進行了廣泛深入的研究，取得了一定的進展，但在高超聲速飛行器的研究過程中，超聲速/高超聲速條件下邊界層轉捩、湍流、非定常流動分離導致的復雜流場及其控制等方面仍面臨諸多挑戰。 圖1.1 高超聲速飛行器部件之間相互干擾的典型結構 計算流體力學（computational fluid dynamics，CFD）技術雖然發展很快，技術日趨成熟，但仍未建立具有普適性的湍流模型，且計算所得結果的可靠性需要進行實驗驗證。在超聲速/高超聲速環境中，上述復雜流場結構具有速度快、結構尺度寬和三維的明顯特征，與低速不可壓繞流流場相比，高超聲速飛行器近壁典型流場存在較大的密度梯度和速度梯度，導致流場的密度、速度、壓力和溫度等出現較大的脈動，這就要求流場精細結構測量技術具有較高的時間和空間分辨率，由此也給實驗研究帶來較大的困難。 由于高超聲速飛行器機翼、控制舵、機身及發動機等部件之間的干擾非常復雜，在可壓縮剪切層中也有復雜的激波和波渦干擾等現象；飛行器表面和超燃沖壓發動機內壁面可能同時存在可壓縮湍流甚至是超聲速湍流與轉捩。隨著超聲速/高超聲速飛行器研究的不斷深入，對研究此類更加復雜的流動現象（包括熱化學反應流動、湍流、轉捩、激波、旋渦及這些現象的相互作用）提出了更高要求。 目前，實現流動控制是當前超聲速流動研究中的熱點和難點問題，利用壁面典型結構對超聲速流動進行控制，主要是通過尾流區低速、低能擬序結構與高速、高能主流進行質量、動量和能量交換，從而增加邊界層內部低速區能量，提高邊界層抵抗逆壓梯度的能力，降低近壁區域激波前后壓差，避免或延遲邊界層分離；同時，促進邊界層上方高速高能氣流與底層低速低能氣流之間的摻混，對超聲速燃燒中起到混合增強的作用。 超聲速平板邊界層及其與附壁渦流發生器的相互作用具有廣泛的應用背景和重要的科學意義，不同構型的渦流發生器與超聲速來流相互作用產生復雜的流場結構，這些流場結構可能包括三維激波、分離區、壁面三維拓撲結構、回流區、再附激波、尾跡、展向渦及流向渦等，是新一代航天飛行器發展面臨的較為重大的關鍵問題［5］。這些復雜流場結構體現了典型的壁面突起物繞流特征，典型構型的渦流發生器可作為壁面突起物繞流的典型機制研究模型，以之考察若干至今存在爭議的基本問題，如三維曲面激波與邊界層的相互作用，橫向壓力梯度對壁面流譜的影響，超聲速渦結構及其誘導激波結構的動力學特性等。因此，超聲速壁面渦流發生器流場精細結構與動力學特性研究，具有重要的理論研究價值和廣泛的工程應用價值。 1.2 附壁典型結構流場 20世紀40年代后期，美國聯合航空公司的Bmynes和Taylor首次概念性地提出了渦流發生器，渦流發生器以一定安裝角垂直地安裝在機體表面上，相當于小展弦比的小機翼，在迎面氣流中產生流向后緣渦，流向渦促進上層高能量氣流傳遞至壁面邊界層，從而消除邊界層分離［6］。由于邊界層的分離導致較大的能量損失，流動分離控制在流體力學的諸多技術領域得到廣泛應用和研究［728］，可以有效地提高系統性能［2937］，降低能耗，并有助于減輕質量和節約空間。流動控制具有十分廣闊的應用前景，已成為航空航天和空氣動力學領域的研究熱點，在國內外開展了廣泛的研究和發展［3863］，在航空航天技術發展和需求的推動下流動控制技術得到長足的發展和創新［5，64，65］，目前已成為航空航天領域發展研究的熱點和難點問題［6672］。 1.2.1 壁面典型結構分類 高超聲速飛行器在飛行包絡范圍內，若飛行器壁面出現不利的氣流分離，將給飛行器帶來許多不良后果，如增加阻力、降低升力、失速、進氣道無法起動等問題。通過在飛行器壁面設置典型結構，即渦流發生器，使處于逆壓梯度中的邊界層流場獲得附加能量后能夠繼續貼附在飛行器壁面，以有效阻止以上各種氣流的過早分離。 流動控制技術可分為主動流動控制、被動流動控制和自適應控制三大類［73］，常見的被動控制方式包括渦流發生器［7477］、邊界層強制轉捩［78］、回流控制裝置［7983］等。 根據被動式渦流發生器的尺寸大小不同可分為兩類： 普通渦流發生器（conventional vortex generators，CVGs），其高度h相當于或略高于邊界層厚度δ，通過將外部高能量氣流向近壁面邊界層的低能量流動區域傳遞能量，使近壁面區域流場的動能增加，主要用于延遲邊界層分離［84，85］、提高飛行器機翼升力［86，87］、降低機身的后體阻力［88］及消減在跨聲速機翼的振動特性［87］；第二類渦流發生器的尺寸相對較小，其高度h與邊界層厚度δ的關系為0.1≤h/δ≤0.5，該類渦流發生器有多種名稱，亞邊界渦流發生器（sub-boundary-layer vortex generators，SBVGs）［20，21，26，32，33，89，90］、微渦流發生器（micro-vortex generators，MVGs）［19，9193］和浸入式渦流發生器（submerged vortex generators，SVGs）［9497］。相比較而言，普通型渦流發生器尺寸較大，其高度等于或大于邊界層的厚度，易受到邊界層外部氣流的影響，產生相對較大額外阻力［98］。第二類渦流發生器由于其尺寸較小，與普通型渦流發生器相比，具有較低的形阻，能夠產生與普通渦流發生器相當或更優越的控制效果，具有更好的發展潛力［98，99］。 1.2.2 附壁三角翼結構流場 MVGs控制低速流動分離得到了比較廣泛的研究和應用。20世紀70年代早期，開發和驗證了波浪形渦流發生器（wave-type VGs）［17］能夠有效抑制卡門渦街（Karman vortex street）的形成及縮小速度虧損區域，并成功降低了尾流區聲波的干擾強度。20世紀80年代后期，對控制流動分離進行了探索性研究［99］，結果表明浸入式渦流發生器（h/δ≤0.625）具有較低的形阻，能夠產生比普通渦流發生器更好的控制效果；同期，Lin等［9496，100］通過實驗研究了不同構型2D（two-dimensional）后向曲面裝置對低速流動分離的控制效果，h/δ=0～0.2，其作用效果與傳統渦流發生器相似，能夠有效地延緩邊界層分離。20世紀90年代以來，研究者分別采用實驗手段［94，96，100，101］、流場測量技術［32，33，102］和數值模擬技術［103］對不同構型的MVGs對低速流動分離的控制效果進行了研究。MVGs在飛行器的增升減阻中也得到廣泛的應用，采用油流顯示技術［20，21，26，89］，利用MVGs縮小低雷諾數舵面的分離區［17，1921，26，89，90，97］、降低舵面阻力［19，97，104］、提高升力［19，32，33，102，104］和降低噪聲［90］，使飛行器性能得到改善。圖1.2所示為不同構型VGs流動分離的控制效率示意圖，圖1.3所示為無VGs控制和有VGs控制下后向斜面繞流流場的油流顯示圖。 MVGs對超聲速/高超聲速環境中實現邊界層強制轉捩、控制流動分離和激波/邊界層干擾等方面具有較好的應用前景。隨著超聲速/高超聲速技術的不斷發展，各項研究工作的不斷深入，飛行器在超聲速/高超聲速飛行過程中所面臨的各種氣動問題愈發突出。針對超聲速/高超聲速環境中飛行器所面臨的環境特點，國內外通過實驗和數值模擬等手段在擬序結構［105119］、激波/邊界層干擾［120140］、邊界層轉捩［141149］等方面開展了廣泛深入的研究。由于激波/邊界層相互作用與來流馬赫數、邊界層特性、激波角及其產生方式等因素密切相關，對超聲速/高超聲速飛行器的性能產生比較嚴重的影響。由此，國外多個研究機構利用渦流發生器對激波誘導邊界層分離控制開展了大量的研究工作，分別采用PIV［150，151］、紋影［151，152］、油流［151153］、壁面壓力測量［152］、LDA［152］及數值模擬［154157］等技術手段對MVGs構型參數［152，156］及其作用下的流場結構［150152，157，158］和流動分離控制效果［150152，154，156，157，159］進行了研究。 圖1.2 不同構型VGs對分離的控制效率［100］ 圖1.3 3D后向斜面繞流流場油流顯示頂視圖［101］ Charles等［152］和Thomas等［151］采用不同尺寸單個和陣列式亞邊界層渦流發生器對超聲速條件下激波與湍流邊界層干擾進行流動控制開展實驗研究，采用PIV、紋影、油流、壁面壓力測量及LDA等手段對流場結構進行顯示和測量，實驗結果表明，超聲速氣流繞過不同尺寸的MVG產生相似的流場結構，產生反向旋轉的流向渦對并夾帶著高動量氣流進入邊界層，增加了近壁面流場的速度，改善了邊界層的性能，促進了高能量氣流與低能量氣流之間的交換，具有摻混增強的作用；與無MVGs控制相比，激波與邊界層干擾在MVGs的作用下，降低了邊界層和動量厚度及形狀因子，但增加了壁面摩擦系數，不能消除激波誘導的分離區；激波與邊界層相互作用的長度變小，作用區域的壓力梯度增大。圖1.4所示為實驗所得紋影和油流顯示圖。 圖1.4 超聲速MVG繞流流場紋影和油流顯示圖［152］
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