壓力不匹配混合層中激波與流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)研究*

張冬冬,譚建國(guó),呂 良

(國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)高超聲速?zèng)_壓發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,長(zhǎng)沙 410073)

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壓力不匹配混合層中激波與流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)研究*

張冬冬,譚建國(guó),呂 良

(國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)高超聲速?zèng)_壓發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,長(zhǎng)沙 410073)

為了研究壓力不匹配混合層的流動(dòng)結(jié)構(gòu)以及激波與湍流邊界層的相互作用,采用基于納米粒子的平面激光散射技術(shù)(NPLS)和偽彩色處理方法獲得了流場(chǎng)中Kelvin-Helmholtz渦、激波、湍流邊界層以及邊界層分離泡等流動(dòng)精細(xì)結(jié)構(gòu)。研究結(jié)果表明:壓力不匹配導(dǎo)致混合層的轉(zhuǎn)捩位置提前,大尺度渦的結(jié)構(gòu)更加破碎,混合層向壓力低的一側(cè)發(fā)展。激波的作用使得邊界層在激波入射點(diǎn)之后增厚,湍流脈動(dòng)的加劇導(dǎo)致了激波入射點(diǎn)發(fā)生前后的偏移。

超聲速流動(dòng);混合層;壓力不匹配;激波;渦系結(jié)構(gòu);湍流邊界層

0 引言

超聲速混合層作為典型的可壓縮剪切流動(dòng)[1],深入研究其流動(dòng)機(jī)理具有重要的工程價(jià)值和理論意義[2-3]。超聲速混合層具有十分復(fù)雜的流場(chǎng)結(jié)構(gòu),上下兩層來(lái)流在壓力匹配條件下,其流動(dòng)特性主要表現(xiàn)為大尺度擬序渦結(jié)構(gòu)的演化;而來(lái)流壓力不匹配時(shí),流場(chǎng)中會(huì)出現(xiàn)激波、大尺度渦、湍流邊界層等流動(dòng)結(jié)構(gòu),并且會(huì)發(fā)生激波與混合層相互作用、激波與湍流邊界層相互作用等流動(dòng)現(xiàn)象。這些復(fù)雜流動(dòng)結(jié)構(gòu)和現(xiàn)象的出現(xiàn)使得壓力不匹配混合層具有異常復(fù)雜的流動(dòng)特性。

Settles等人[4]采用斜劈產(chǎn)生激波的方式研究了激波與混合層的相互作用,然而由于實(shí)驗(yàn)條件的限制,其僅僅得到了馬赫數(shù)的變化對(duì)湍流強(qiáng)度的影響。Dussauge[5]等人總結(jié)了斜激波與邊界層相互作用的研究成果,指出分離泡的三維結(jié)構(gòu)是造成激波與湍流邊界層相互作用非定常特性的重要原因之一。回顧過(guò)去70多年關(guān)于超聲速流場(chǎng)中激波與湍流結(jié)構(gòu)相互作用的研究可以發(fā)現(xiàn),超聲速流動(dòng)的非線(xiàn)性和非定常特性使得流場(chǎng)結(jié)構(gòu)異常復(fù)雜,再加上實(shí)驗(yàn)設(shè)備的限制,獲得的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)圖像的時(shí)空分辨率還有待進(jìn)一步提高。

本次研究在超聲速混合層風(fēng)洞中進(jìn)行,采用NPLS技術(shù)獲得了激波與超聲速湍流結(jié)構(gòu)相互作用的流場(chǎng)圖像,研究了激波對(duì)超聲速混合層發(fā)展的影響。同時(shí),采用偽彩色圖像處理的方法獲得了流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的偽彩色圖像,清晰地展示了激波與邊界層相互作用的瞬態(tài)流場(chǎng)結(jié)構(gòu),探索研究了激波與湍流結(jié)構(gòu)相互作用的機(jī)理。

1 試驗(yàn)設(shè)備

1.1 超聲速混合層風(fēng)洞

實(shí)驗(yàn)在超聲速混合層風(fēng)洞中進(jìn)行,如圖1所示。該風(fēng)洞的來(lái)流湍流度低，并且氣動(dòng)噪聲小，對(duì)于精細(xì)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)研究十分有利。通過(guò)在穩(wěn)定段中間放置一塊隔板的方式將來(lái)流分為上下兩層,隔板后端與雙噴管相連。實(shí)驗(yàn)時(shí),通過(guò)調(diào)節(jié)上層穩(wěn)定段前端的總壓調(diào)節(jié)器來(lái)控制噴管出口聽(tīng)靜壓匹配情況。當(dāng)噴管出口靜壓一致時(shí),上下兩層來(lái)流在實(shí)驗(yàn)段壓力匹配;噴管出口靜壓不等時(shí),則流動(dòng)在實(shí)驗(yàn)段內(nèi)是壓力不匹配的流動(dòng)。通過(guò)校測(cè),得到上下兩層的來(lái)流馬赫數(shù)分別為2.12和3.18。

圖1 超聲速混合層風(fēng)洞示意圖

1.2 NPLS系統(tǒng)

NPLS系統(tǒng)由趙玉新等人[6-7]開(kāi)發(fā)完成,其以平面激光散射技術(shù)為基礎(chǔ),以納米粒子為示蹤粒子,其示意圖見(jiàn)圖2。其中,計(jì)算機(jī)控制NPLS系統(tǒng)的運(yùn)行并且實(shí)時(shí)地存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)圖像。同步控制器用來(lái)控制系統(tǒng)各個(gè)部件協(xié)同工作;CCD相機(jī)分辨率為4 000像素×2 096像素;脈沖激光片光采用波長(zhǎng)為532 nm,脈沖時(shí)間為6 ns的雙腔Nd:YAG激光器,脈沖能量達(dá)500 mJ,時(shí)間分辨率為200 ns。采用納米級(jí)的TiO2作為示蹤粒子,其在超聲速流場(chǎng)中有較好的跟隨性,能夠很好的捕捉到流場(chǎng)中擬序渦、激波、湍流邊界層等流動(dòng)精細(xì)結(jié)構(gòu)。在獲得的流場(chǎng)圖像中,灰度高的部分對(duì)應(yīng)于高馬赫數(shù)的流場(chǎng),灰度低的部分對(duì)應(yīng)于低馬赫數(shù)的流場(chǎng)。

圖2 NPLS系統(tǒng)示意圖

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 激波對(duì)混合層發(fā)展的影響

在超聲速混合層流場(chǎng)結(jié)構(gòu)中,當(dāng)上下兩層來(lái)流在噴管出口處壓力不匹配時(shí),將會(huì)導(dǎo)致各種波系結(jié)構(gòu)的出現(xiàn),最典型的就是噴管后緣附近出現(xiàn)斜向下的斜激波并使分隔板下的邊界層分離。流場(chǎng)中激波的出現(xiàn)會(huì)對(duì)超聲速混合層的轉(zhuǎn)捩位置、擬序渦結(jié)構(gòu)、混合層的增長(zhǎng)速度等產(chǎn)生重要的影響。

圖3和圖4是壓力不匹配情況下超聲速混合層的流向NPLS流場(chǎng)圖像,每幅圖像的中間部分為混合區(qū)域,下面部分為壁面邊界層區(qū)域。其中,圖3上層噴管出口壓力為5 200 Pa,下層出口壓力為2 800 Pa,壓力差為2 400 Pa;圖4上層噴管出口壓力為11 000 Pa,下層噴管出口壓力為2 800 Pa,壓力差為8 200 Pa。圖像的拍攝位置、曝光時(shí)間均相同。圖中(a)和(b)兩幅圖的時(shí)間間隔均為10 μs。

圖3 壓力差為2 400 Pa時(shí)流場(chǎng)NPLS圖像

圖4 壓力差為8 200 Pa時(shí)流場(chǎng)NPLS圖像

由于混合層中具有的Kelvin-Helmholtz不穩(wěn)定性作用,流動(dòng)在向下游發(fā)展的過(guò)程中形成具有擬序結(jié)構(gòu)的K-H渦。在壓力不匹配的情況下,上層的高壓首先傳遞給下層來(lái)流的邊界層,導(dǎo)致下邊界層增厚。增厚的邊界層相當(dāng)于下層流動(dòng)中的障礙物,因此產(chǎn)生了向下的斜激波。上下兩層流動(dòng)在噴管后緣相遇后轉(zhuǎn)捩位置大大提前,在壓力差為8 200 Pa時(shí),根本就看不到層流區(qū)域,來(lái)流相遇后就形成了湍流結(jié)構(gòu)。同時(shí),由于上層來(lái)流具有較高的壓力,使得混合層結(jié)構(gòu)整體向下方低壓一側(cè)偏移,在圖4中壓力差為8 200 Pa時(shí)尤其明顯。壓力差的提高明顯的抑制了混合層的增長(zhǎng)速度。通過(guò)線(xiàn)性擬合可知,壓力差為2 400 Pa時(shí)超聲速混合層的厚度以9.6°的角度增長(zhǎng),而壓力差為8 200 Pa時(shí),增長(zhǎng)速度的角度減小為6.8°。這說(shuō)明,雖然壓力不匹配程度越高,混合層的轉(zhuǎn)捩位置越靠前,但是這并沒(méi)有明顯提高超聲速混合層的混合效率,反而在一定程度上抑制了混合層的發(fā)展。

此外,在10 μs的時(shí)間間隔內(nèi),圖3和圖4實(shí)線(xiàn)圓框中的渦結(jié)構(gòu)A和B分別向下游運(yùn)動(dòng)了5.64 mm和5.72 mm,同時(shí)擬序結(jié)構(gòu)幾乎沒(méi)有什么變形。這說(shuō)明,一方面超聲速混合層中流動(dòng)結(jié)構(gòu)具有運(yùn)動(dòng)快、變形慢的特點(diǎn);另一方面,來(lái)流壓差的變化并沒(méi)有顯著改變流動(dòng)結(jié)構(gòu)向下游演化的速度。

2.2 激波與湍流邊界層相互作用

圖5為超聲速流場(chǎng)中激波與邊界層相互作用的示意圖。在超聲速混合層中,氣流經(jīng)過(guò)激波后,由于斜激波前后壓力差的作用，氣流的壓力突然提高。激波后面提升的壓力通過(guò)壁面邊界層內(nèi)的亞聲速區(qū)向上游傳播，形成強(qiáng)烈的逆壓梯度。強(qiáng)烈的逆壓梯度會(huì)造成邊界層的分離，形成分離泡結(jié)構(gòu)，進(jìn)而導(dǎo)致壁面邊界層增厚，在壁面處形成一個(gè)凹角，凹角的出現(xiàn)使來(lái)流主流產(chǎn)生一系列弱激波，最終在離壁面一定距離處集中發(fā)展成為一道反射斜激波。

圖5 激波和邊界層相互作用示意圖

為了更清晰的展示激波與湍流邊界層相互作用的流場(chǎng)結(jié)構(gòu),采用偽彩色處理的方法[8-9]得到了壓力差為2 400 Pa時(shí)斜激波與壁面邊界層相互作用的偽彩色圖像,如圖6所示,圖中(a)和(b)兩幅圖的時(shí)間間隔為10 μs。從圖中可以看出,入射激波的作用使得壁面邊界層突然增厚,形成分離泡。增厚的邊界層相當(dāng)于流場(chǎng)中的障礙物,導(dǎo)致了弓形誘導(dǎo)激波的產(chǎn)生。

此外,在10 μs的時(shí)間間隔內(nèi),流場(chǎng)中渦結(jié)構(gòu)C和D分別向下游運(yùn)動(dòng)了5.76 mm和5.70 mm。而比較C和D的形變可以發(fā)現(xiàn),相比于渦結(jié)構(gòu)C,從D到D′,渦結(jié)構(gòu)發(fā)生了更大的變形。這表明激波的作用增強(qiáng)了流場(chǎng)的非線(xiàn)性和非定常特性,使得流場(chǎng)中結(jié)構(gòu)的脈動(dòng)加劇。同時(shí),在10 μs的時(shí)間間隔內(nèi),斜激波入射點(diǎn)的位置僅僅向下游移動(dòng)了2.26 mm,運(yùn)動(dòng)的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于流動(dòng)向下游發(fā)展演化的速度,這說(shuō)明由于湍流邊界層強(qiáng)烈的脈動(dòng)特征,斜激波的入射位置會(huì)發(fā)生前后的偏移。

圖6 斜激波與邊界層相互作用的偽彩色圖像

3 結(jié)論

通過(guò)研究,得出以下結(jié)論:

1)壓力不匹配混合層對(duì)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)和混合層的發(fā)展演化有重要影響。壓力不匹配導(dǎo)致混合層的轉(zhuǎn)捩位置提前,大尺度渦的結(jié)構(gòu)更加破碎,混合層結(jié)構(gòu)整體向壓力低的一側(cè)發(fā)展。

2)超聲速混合層中,壓力不匹配程度越高,混合層的轉(zhuǎn)捩位置越靠前,但是這并沒(méi)有明顯增強(qiáng)超聲速混合層的混合效率,甚至在某種程度上抑制了超聲速混合層的增長(zhǎng)。

3)入射斜激波與壁面邊界層的相互作用導(dǎo)致極為復(fù)雜的流場(chǎng)結(jié)構(gòu),增強(qiáng)了流場(chǎng)的非線(xiàn)性和非定常特性,使得流場(chǎng)中結(jié)構(gòu)的脈動(dòng)加劇。

4)激波與湍流邊界層的作用使得邊界層在激波入射點(diǎn)之后增厚,產(chǎn)生橢圓形分離區(qū)。此外,隨著湍流脈動(dòng)的加劇,激波入射點(diǎn)會(huì)發(fā)生前后的偏移。

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Experimental Investigation on Shock Waves and Flow Structures in Pressure Unmatched Mixing Layer

ZHANG Dongdong,TAN Jianguo,LYU Liang

(Science and Technology on Scramjet Laboratory, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China)

Nanoparticle-based planar laser scattering (NPLS) technique and pseudo-color processing technology were employed to investigate flow structures and interaction of shock waves and turbulent boundary layer. The images clearly displayed fine flow structures such as Kelvin-Helmholtz vortices, shock waves, turbulent boundary layer and separation bubble. The results show that the transition position of mixing layer advances and large scale structures become crushed due to the unmatched pressure. Meanwhile, the development direction is downside, which has lower pressure. Because of the interaction of shock waves and turbulent boundary layer, the boundary layer becomes thicker behind incidence point. Besides, the intensification of turbulence fluctuations is responsible for movement of incidence point.

supersonic flow; mixing layer; pressure unmatched; shock waves; vortical structures; turbulent boundary layer

2015-05-10

國(guó)家自然科學(xué)基金(11272351;91441121)；湖南省研究生科研創(chuàng)新項(xiàng)目(CX2016B001)資助

張冬冬(1990-),男,江蘇泰州人,博士研究生,研究方向:高超聲速推進(jìn)技術(shù)。

V211.7

A