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高超声速 V 型前缘气动特性及流场作用机理研究

文献类型:学位论文

作者姜文清
答辩日期2022-05-20
文献子类硕士
授予单位中国科学院大学
授予地点北京
导师姜宗林
关键词高超声速 V 形前缘 激波干扰 真实气体效应
学位专业流体力学
其他题名Study on aerodynamic characteristics and flow field mechanism of hypersonic v-leading edge
英文摘要

进气道是发动机捕获并压缩空气的部件,空气捕获能力是进气道设计关键参数之一,随着超燃冲压发动机的不断发展,出现了一种气体捕获性能突出的内转式进气道,这种进气道存在外形十分复杂的溢流口,导致在溢流口周围存在复杂的激波/激波以及激波边界层干扰现象。这些激波/激波干扰和激波边界层干扰现象会造成高压、高热流载荷,已经流场的非定常振荡,可能会对溢流口结构造成严重的破坏,并且还会对下游内流道内的流场造成影响。
本文主要研究了 V 形前缘激波/激波干扰形成的三维激波结构,并分析了几何参数对激波干扰结构的影响。半径比 R/r=1 与半径比 R/r=3 最大不同有三点。由于圆弧尺寸相对缩小,第一,脱体激波发生激波相互干扰之后产生的透射激波直接与直导边的边界层发生激波边界层干扰,导致圆弧段不会形成弯曲激波,同时激波边界层干扰导致的分离流动规模更大;第二,由于马赫激波 MS 相对远离壁面,导致产生的旋涡对不会造成马赫激波拱起;第三,由于半径比减小,倒圆区域空间减小,射流运动距离减小,圆弧段壁面附近不会产生多个压缩波和膨胀波。分析了几个重要参数(扩张角、半径比 R/r 以及壁面温度)对 V 形前缘不同激波干扰类型导致产生的压力/热流的影响。当半径比 R/r=1 增大至 3.25 时,壁面压力/热流载荷的由于激波边界层干扰产生的载荷峰值更高,同时产生峰值的位置更加靠后,中心处驻点位置的压力和热流峰值降低。当扩张角增大时,在 角度小于 10°的部分,中心处的压力热流曲线基本重合,扩张角的增大对压力和热流的影响很小,当 角度大于 10°之后,扩张角对壁面压力载荷的影响逐渐显现出来。在 θ=35°的峰值位置,壁面压力减少约 50%。但是在波谷位置的压力热流载荷反而随扩张角增大的增大。壁面温度升高对壁面压力造成的影响很小,只在峰值位置存在差距,但会导致壁面热流载荷明显降低。通过分析 V 型前缘中的激波干扰振荡的演变过程,研究了 V 型前缘流场中的非定常效应,从频谱分析结果来看,V 型前缘的非定常效应只存在马赫和透射激波范围以内,并且非定常振荡频率在 1000HZ 左右。激波的振荡的模式是马赫激波的突起振荡与上下摇摆振荡相互耦合的形式,并且当马赫激波突起明显的情况,上下摆动幅度较小,这与流场中的射流强度有关。
关注强激波诱导的热化学反应(包括振动能激发和氮气、氧气分子解离)对 V 型前缘流场中的激波/激波相互干扰以及壁面压力/热流载荷的影响。考虑真实气体效应之后,流场整体的温度大幅消减,流场中的最高温度从 4200K 降低至 3500K,真实气体效应主要集中在马赫激波和弓形激波以内,这也导致了考虑真实气体效应的弓形激波和马赫激波的脱体距离明显减小,而其他位置的激波基本保持不变。最终又会导致透射激波与曲面激波相互干扰位置更接近壁面,从而导致壁面压力和热流的载荷峰值的位置角度更小。因此真实气体效应对壁面压力载荷的影响可以分成三个部分,在 小于 15°的部分,真实气体效应对壁面压力载荷存在一定影响,但影响不明显;在 小于 40°的范围内,真实气体效应对壁面压力载荷存在明显影响,会导致峰值点出现的位置提前,壁面压力的主峰值和次级峰值出现位置对应的角度全部都偏小,以及计算得到的壁面压力载荷比理想气体情况下的结果偏大。在 大于 40°的范围内,氧原子的浓度接近 0,真实气体效应对壁面压力/热流载荷基本没有影响。

 

语种中文
源URL[http://dspace.imech.ac.cn/handle/311007/89152]  
专题力学研究所_高温气体动力学国家重点实验室
中国科学院力学研究所
通讯作者姜文清
推荐引用方式
GB/T 7714
姜文清. 高超声速 V 型前缘气动特性及流场作用机理研究[D]. 北京. 中国科学院大学. 2022.

入库方式: OAI收割

来源:力学研究所

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