自由活塞激波風(fēng)洞的入射激波衰減

朱浩，江海南，張冰冰

中國(guó)航天空氣動(dòng)力技術(shù)研究院，北京 100074

自由活塞激波風(fēng)洞的入射激波衰減

朱浩*，江海南，張冰冰

中國(guó)航天空氣動(dòng)力技術(shù)研究院，北京 100074

自由活塞激波風(fēng)洞產(chǎn)生的入射激波在行進(jìn)過(guò)程中存在較大衰減，這種現(xiàn)象不僅降低了風(fēng)洞噴管貯室的焓值、壓力的量值和平穩(wěn)性，而且也制約了風(fēng)洞有效試驗(yàn)時(shí)間。針對(duì)自由活塞激波風(fēng)洞結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，試圖揭示入射激波衰減的主導(dǎo)原因。在忽略一些偶然性隨機(jī)性因素后，重點(diǎn)對(duì)黏性衰減和反射膨脹波作用兩個(gè)因素的影響進(jìn)行了分析和比較。結(jié)果表明，在風(fēng)洞主膜片打開(kāi)時(shí)刻，活塞前臉與主膜片之間的短促距離，加劇了反射膨脹波的影響，在很多情況下，這是導(dǎo)致激波衰減的更為主要的因素。出于降低激波衰減和延長(zhǎng)風(fēng)洞有效試驗(yàn)時(shí)間的實(shí)際工程需要，提出了變截面活塞壓縮器的設(shè)計(jì)構(gòu)型。隨后的理論研究顯示，該構(gòu)型能夠?qū)崿F(xiàn)活塞充分減速并達(dá)到安全速度，被壓縮氣體(驅(qū)動(dòng)氣體)能夠形成平穩(wěn)的壓力/溫度平臺(tái)，滿足激波管驅(qū)動(dòng)需要。

自由活塞激波風(fēng)洞；入射激波；衰減；壓縮管；安全速度

高超聲速飛行一般伴隨著“真實(shí)氣體”效應(yīng)的產(chǎn)生。為了獲得更為精確的飛行器流場(chǎng)和熱環(huán)境數(shù)據(jù)，地面試驗(yàn)設(shè)備應(yīng)當(dāng)能夠忠實(shí)于飛行環(huán)境，產(chǎn)生“真實(shí)氣體”效應(yīng)。當(dāng)前，由于理論與數(shù)值計(jì)算的局限性，地面試驗(yàn)仍然是研究“真實(shí)氣體” 效應(yīng)的主要手段之一。

激波風(fēng)洞采用氫氣或者氦氣作為驅(qū)動(dòng)氣體(室溫)，可以在試驗(yàn)段獲得焓值為5 MJ/kg左右的試驗(yàn)氣體(空氣)；而利用加熱器加熱氫氣或者采用氫氧混合氣體在氦氣中燃燒的辦法，可使試驗(yàn)氣體焓值增加到12.5 MJ/kg左右[1]。在此量級(jí)的焓值之下，氧氣將發(fā)生顯著的離解，而氮?dú)獾碾x解則可忽略。為了獲得更高焓值的試驗(yàn)氣流，則要依靠自由活塞激波風(fēng)洞，這類風(fēng)洞的運(yùn)行特點(diǎn)是，利用重活塞的快速等熵壓縮，實(shí)現(xiàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)氣體(主要是氦氣-氬氣的混合氣體)的加熱加壓，用以驅(qū)動(dòng)激波管獲得高強(qiáng)度激波[2]。隨著對(duì)高超聲速飛行興趣的增長(zhǎng)，美國(guó)和其他西方國(guó)家近年來(lái)陸續(xù)興建這類自由活塞激波風(fēng)洞，例如澳大利亞的T4、美國(guó)的T5、德國(guó)的HEG、以及日本的HIEST均是這類風(fēng)洞的代表[3-9]。

圖1 自由活塞激波風(fēng)洞示意圖
Fig.1 Skematic of free piston shock tunnel

自由活塞激波風(fēng)洞氣動(dòng)/結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以獲取高焓試驗(yàn)氣流作為最高目標(biāo)，這類風(fēng)洞一個(gè)主要的設(shè)計(jì)特點(diǎn)是：壓縮管和激波管直接相連，主膜片緊靠壓縮管末端(參見(jiàn)圖1)。從理論上看，截面的突然收縮有助于提高風(fēng)洞的驅(qū)動(dòng)壓力，獲得更高的入射激波強(qiáng)度(相比等截面激波管而言)。在實(shí)際運(yùn)行中，自由活塞激波風(fēng)洞面臨的一個(gè)重要問(wèn)題是，入射激波在行進(jìn)過(guò)程中衰減很大，這使得試驗(yàn)氣體的焓值/壓力很難達(dá)到預(yù)期的量值和平穩(wěn)性，同時(shí)風(fēng)洞的有效試驗(yàn)時(shí)間也受到很大的制約。自由活塞激波風(fēng)洞中激波衰減的事實(shí)為研究者所熟知，但是長(zhǎng)期以來(lái)，對(duì)其成因缺少深入的研究和定量的分析，這一情況妨礙了自由活塞激波風(fēng)洞氣動(dòng)設(shè)計(jì)的改進(jìn)和優(yōu)化。在忽略一些偶然性因素后，本文著重分析比較了邊界層黏性和反射膨脹波作用這兩個(gè)因素對(duì)激波衰減的影響。研究結(jié)果表明，多數(shù)情況下，反射膨脹波是導(dǎo)致激波衰減更為主要的因素。其原因在于，風(fēng)洞主膜片打開(kāi)時(shí)刻，活塞前臉與主膜片之間的距離過(guò)于短促，這是自由活塞激波風(fēng)洞傳統(tǒng)構(gòu)型的固有結(jié)果。為了有效緩解激波衰減，并延長(zhǎng)風(fēng)洞有效試驗(yàn)時(shí)間，本文提出一個(gè)變截面構(gòu)型活塞壓縮器的設(shè)計(jì)構(gòu)型，并從理論上論證了這種設(shè)計(jì)的可行性。

1 激波衰減結(jié)果和比較

在自由活塞激波風(fēng)洞中，入射激波的衰減對(duì)噴管貯室中試驗(yàn)氣體狀態(tài)影響顯著。導(dǎo)致激波衰減的因素較多，分析不同的影響因素對(duì)風(fēng)洞的設(shè)計(jì)和運(yùn)行有重要意義。總體而言，激波在行進(jìn)過(guò)程中的衰減機(jī)制十分復(fù)雜，膜片打開(kāi)的非理想過(guò)程、激波管內(nèi)徑大小及內(nèi)壁粗糙程度、邊界層黏性、反射稀疏波的作用等都可能導(dǎo)致衰減?；谧杂苫钊げL(fēng)洞的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，本文專注于邊界層黏性和反射稀疏波的作用兩個(gè)主要因素的研究和比較。

邊界層黏性主導(dǎo)的激波衰減就曾受到不少研究者的注意。Mirels[10]和Trimpi[11]認(rèn)為，在完全湍流邊界層情況下，激波的衰減和激波管直徑成反比。Emrich[12]和Spence[13]等先后引入波后雷諾數(shù)刻畫(huà)激波強(qiáng)度的衰減。針對(duì)不同的驅(qū)動(dòng)氣體和被驅(qū)動(dòng)氣體，Anderson和Murthy[14]依據(jù)小擾動(dòng)理論，采用不同指數(shù)律形式的速度型和密度型，獲得了由邊界層而引起的激波衰減的進(jìn)一步結(jié)果。特別地，根據(jù)文獻(xiàn)[13]，真實(shí)氣體條件下，激波速度的保持率可以表述為

(1)

為了便于分析，本文以文獻(xiàn)[16]提供的T4風(fēng)洞的第2 499次發(fā)射作為算例，比較了數(shù)值模擬、式(1)和測(cè)量值之間的差別，其結(jié)果見(jiàn)表1。表1中ST2d是一套基于平衡氣體假設(shè)的二維激波管計(jì)算程序，以軸對(duì)稱Navier-Stokes方程作為流動(dòng)控制方程，對(duì)流通量計(jì)算格式為AUSM+ (Advection Upstream Splitting Method)格式，湍流模型為Spalart-Allmaras模型，時(shí)間推進(jìn)格式為L(zhǎng)U-SGS (Lower Upper Symmetric Guass Seidel)隱式格式。程序中使用的氣體熱力學(xué)性質(zhì)由文獻(xiàn)[17]提供的擬合函數(shù)給出。另外，L1d程序的細(xì)節(jié)參見(jiàn)文獻(xiàn)[16]。表1的結(jié)果顯示：① ST2d程序獲得的激波行進(jìn)速度與L1d程序計(jì)算值及測(cè)量值之間差異很小，具有很高的可靠性。② 在該運(yùn)行條件下，激波衰減嚴(yán)重。 ST2d和L1d程序獲得的激波速度保持率約為0.69。式(1)中常系數(shù)C的取值為0.07或0.097 7時(shí)，邊界層黏性主導(dǎo)的激波衰減率分別為0.11和0.16， 偏差較小。③ 除了邊界層黏性以外， 還存在其他因素使得激波出現(xiàn)嚴(yán)重的衰減，甚至強(qiáng)于邊界層黏性所帶來(lái)的影響。

表1 激波速度衰減對(duì)比

2 反射膨脹波所導(dǎo)致的激波衰減

在自由活塞激波風(fēng)洞中，當(dāng)活塞對(duì)驅(qū)動(dòng)氣體的壓縮結(jié)束時(shí)，活塞的停止位置與膜片之間的距離十分靠近，致使驅(qū)動(dòng)段與被驅(qū)動(dòng)段長(zhǎng)度之比很小(通常不足1/10)。另一方面，為了獲得更強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)效果，風(fēng)洞采用輕質(zhì)氣體(主要是氦氣或者氦/氬混合氣體)作為驅(qū)動(dòng)氣體，在經(jīng)過(guò)重活塞壓縮以后，驅(qū)動(dòng)氣體的聲速十分可觀，這使得膜片破裂時(shí)形成的稀疏波具有很高的傳播速度。在上述兩個(gè)因素的共同影響下，稀疏波迅速抵達(dá)活塞前臉并發(fā)生反射，之后很快地追趕上接觸面(甚至激波)，并與之發(fā)生相互作用。我們推測(cè)這一現(xiàn)象是導(dǎo)致入射激波嚴(yán)重衰減的另外一個(gè)重要原因。對(duì)普通的反射型激波風(fēng)洞而言，驅(qū)動(dòng)段長(zhǎng)度大約是被驅(qū)動(dòng)段長(zhǎng)度的1/2左右，較長(zhǎng)的驅(qū)動(dòng)段使得稀疏波反射和追趕行為大大延遲。這就是說(shuō)，反射稀疏波所導(dǎo)致的激波衰減一般不會(huì)在這類反射型激波風(fēng)洞中出現(xiàn)，此時(shí)的激波衰減主要由邊界層黏性引起。為了進(jìn)一步證實(shí)上述猜測(cè)，采用ST2d程序?qū)Σ煌脑O(shè)計(jì)構(gòu)型進(jìn)行了數(shù)值模擬。為了便于比較和校驗(yàn)，仍然采用文獻(xiàn)[16]中的另外一個(gè)運(yùn)行狀態(tài)No.1 089，被驅(qū)動(dòng)段的內(nèi)徑和長(zhǎng)度不變，僅僅改變驅(qū)動(dòng)段的內(nèi)徑和長(zhǎng)度，具體計(jì)算參數(shù)和結(jié)果參見(jiàn)表2。表中4個(gè)條件均采用100%的氦氣作為驅(qū)動(dòng)氣體，壓力為57 MPa，溫度為4 543 K，空氣作為被驅(qū)動(dòng)氣體，壓力為100 kPa，溫度為296 K。

表2的結(jié)果顯示：① 在1-2、1-4條件下(對(duì)應(yīng)長(zhǎng)驅(qū)動(dòng)段)，激波的衰減僅由邊界層黏性引起，此時(shí)激波速度下降約2%。② 在1-1、1-3條件下(對(duì)應(yīng)短驅(qū)動(dòng)段)，激波的衰減由邊界層黏性和反射膨脹波作用共同引起，而反射稀疏波引起的衰減比黏性引起的衰減更為嚴(yán)重。驅(qū)動(dòng)段越短，反射稀疏波引起的激波衰減也就越突出。③ 與1-3、1-4等截面驅(qū)動(dòng)結(jié)果相比，1-1的變截面技術(shù)帶來(lái)了激波速度的增加，但是由于驅(qū)動(dòng)段很短，不足以抵消反射稀疏波引起的激波衰減，以至激波的最終速度仍然低于1-3、1-4條件下的。

圖2展示了表2中4種不同條件下的激波管中軸線上壓力分布，以及接觸面(Contact Surface,CS)/激波速度隨時(shí)間的變化，更加細(xì)致地刻畫(huà)了反射膨脹波引起激波衰減的過(guò)程，圖中橫坐標(biāo)l為沿激波管軸向的坐標(biāo)，其以主膜片為坐標(biāo)原點(diǎn)。特別地，在1-1的條件下，反射稀疏波在激波管下游2 m附近，即追趕上接觸面與之發(fā)生作用，在此以后接觸面/激波一直處于明顯的減速狀態(tài)。而在1-3的條件下，由于驅(qū)動(dòng)段長(zhǎng)度增加，反射稀疏波追趕上接觸面的位置后移(約在激波管下游4 m處附近)。在1-2和1-4條件下，反射稀疏波未曾追趕上接觸面，因此接觸面保持緩慢的加速，激波在黏性下緩慢減速，這一變化趨勢(shì)和文獻(xiàn)[18]的試驗(yàn)結(jié)果一致。

結(jié)合上述兩個(gè)方面的研究，我們得到如下結(jié)論：在自由活塞激波風(fēng)洞中，邊界層黏性和反射稀疏波的作用是導(dǎo)致入射激波衰減的兩個(gè)重要因素，而后者的影響可能更為劇烈，其原因在于風(fēng)洞主膜片打開(kāi)(壓縮結(jié)束)時(shí)刻，活塞前臉十分靠近主膜片，導(dǎo)致反射膨脹波過(guò)早地追趕上接觸面/激波并與之發(fā)生相互作用。另外，數(shù)值計(jì)算暗示，驅(qū)動(dòng)氣體中氬氣的加入可以推遲反射稀疏波和接觸面/激波的相互作用時(shí)間，但是緩解程度有限。

表2 不同驅(qū)動(dòng)段長(zhǎng)度下的激波速度衰減Table 2 Attenuation of shock wave velocity with different length of driver sections

圖2 不同驅(qū)動(dòng)段長(zhǎng)度下的壓力分布、接觸面速度和激波速度
Fig.2Pressure distribution, contact surface velocity, and shock wave velocity with different length of driver sections

3 傳統(tǒng)構(gòu)型的改進(jìn)

圖3 變截面自由活塞壓縮器方案
Fig.3 Conceptual design of free piston compression tube with an abrupt area change

為了緩解反射稀疏波引起的激波衰減，延長(zhǎng)風(fēng)洞有效試驗(yàn)時(shí)間，并最終提升風(fēng)洞的驅(qū)動(dòng)效果，本文基于上述理論研究結(jié)果，提出了一種變截面活塞壓縮器的設(shè)計(jì)方案(見(jiàn)圖3)。在這種設(shè)計(jì)方案中，壓縮管采用變截面結(jié)構(gòu)(前段為粗段，后段為細(xì)段)，激波管內(nèi)徑的選擇則具有一定自由度，可以等于或者大于壓縮管細(xì)段內(nèi)徑。主膜片位置處于壓縮管細(xì)段與激波管連接位置。在相同的壓縮比下，這種結(jié)構(gòu)旨在增加活塞停止位置和主膜片之間的距離(即實(shí)際激波管驅(qū)動(dòng)段的長(zhǎng)度)。變截面壓縮管粗段與細(xì)段的容積之比大于實(shí)際運(yùn)行時(shí)的壓縮比(前者約為后者1.2～1.7倍為宜)。另外，圖3中的主膜夾持機(jī)構(gòu)可以通過(guò)變更主膜片的位置獲得不同壓縮比。對(duì)變截面壓縮管而言，活塞僅在壓縮管粗段中行進(jìn)，這意味著在壓縮結(jié)束階段，活塞必須在更短距離上完成減速抵達(dá)設(shè)備允許的安全速度，這是該設(shè)計(jì)方案具有應(yīng)用價(jià)值的關(guān)鍵。

在圖3的變截面壓縮管中，假定壓縮管粗段的長(zhǎng)度和直徑分別為L(zhǎng)1和D1，壓縮管細(xì)段的長(zhǎng)度和直徑分別為L(zhǎng)2和D2，活塞質(zhì)量為Mp。假定高壓空氣貯室的初始?jí)毫閜A,0，初始聲速為aA,0，被壓縮氣體(激波管的驅(qū)動(dòng)氣體)的初始?jí)毫HA,0?；钊谶\(yùn)動(dòng)過(guò)程中任意時(shí)刻的受力為

式中：x為活塞位移(以活塞起點(diǎn)為原點(diǎn)，x

(2)

式中：up為活塞的瞬時(shí)速度；γA為空氣的比熱比。式(2)是假定活塞和它所在的初始位置相孤立，產(chǎn)生的膨脹波不發(fā)生反射。同時(shí)，在膜片破裂以前，活塞的前臉?biāo)軌毫HA表示為

(3)

(4)

式中：aHA,0為驅(qū)動(dòng)氣體的初始聲速。

在參數(shù)空間(b1,b2)求解式(3)和式(4)即可獲得活塞運(yùn)動(dòng)的具體細(xì)節(jié)和總體特征。當(dāng)被壓縮氣體為氦氣時(shí)，在固定壓縮比λ=30，40，50下，圖4給出了活塞在壓縮管粗段末端抵達(dá)安全速度(≤20 m/s)時(shí)最可能的參數(shù)集合(圖中紅色區(qū)域)。這意味著，在一定的人工摩擦的干預(yù)下，活塞可以在壓縮管粗段末端達(dá)到安全速度，并和緩沖裝置發(fā)生接觸。活塞壓縮器的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)將在這個(gè)參數(shù)集合內(nèi)進(jìn)一步挑選產(chǎn)生(結(jié)合活塞調(diào)諧操作與設(shè)備結(jié)構(gòu))。圖4中計(jì)算所對(duì)應(yīng)的變截面壓縮管尺寸以及若干參數(shù)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的末端速度/位移見(jiàn)表3。若被壓縮氣體采用氬氣/氦氣混合氣體，其聲速較氦氣小，在主膜片打開(kāi)以后，混合氣體下泄速率減小，腔內(nèi)背壓下降相對(duì)緩慢，活塞更容易減速并抵達(dá)安全速度。因此，這種設(shè)計(jì)方案具有良好的可行性，值得進(jìn)一步試驗(yàn)研究。

圖4 活塞抵達(dá)安全速度所對(duì)應(yīng)的參數(shù)集合(紅色區(qū)域)
Fig.4 Feasible region on parameter plane to obtain safe velocity of piston (red region)

λScaleofcompressiontube/mL1D1L2D2MaxcompressionratioCoordinates(b1，b2)Finalvelocity/(m·s-1)Finaldistance/m30400．5560．1863．2(0．027，28．8)0．3439．5840400．5560．1863．2(0．021，26．5)0．3539．7050400．5550．1875．7(0．019，24．0)0．3339．84

4 驅(qū)動(dòng)性能

圖5 壓縮管末端壓力與溫度的分布
Fig.5Distributions of pressure and temperature at end of compression tube

在壓縮管中，被壓縮氣體壓力/溫度的增加主要是通過(guò)壓縮波作用實(shí)現(xiàn)的。較長(zhǎng)的壓縮管細(xì)段使得壓縮波傳播行程增加，有可能會(huì)降低壓縮管細(xì)段的壓力/溫度分布均勻性。為此，本文進(jìn)行了多次的數(shù)值模擬研究(假定活塞滿足調(diào)諧操作)，數(shù)值計(jì)算顯示這種結(jié)構(gòu)對(duì)壓縮管細(xì)段的壓力/溫度分布均勻性影響微弱，最大的不均勻性出現(xiàn)在截面突然變化的區(qū)域，圖5是眾多算例中較有代表性的一個(gè)。這個(gè)算例對(duì)應(yīng)的初始條件是：壓縮管粗段直徑為0.5 m，長(zhǎng)度為25 m，壓縮管細(xì)段直徑為0.16 m，長(zhǎng)度為10 m，壓縮管初始填充壓力pDr,0=0.165 9 MPa，活塞驅(qū)動(dòng)壓力pA,0=25pDr,0，活塞質(zhì)量為200 kg。通過(guò)圖5可以看出，隨著活塞向前推進(jìn)，壓縮管細(xì)段中的被壓縮氣體壓力/溫度逐漸升高，均勻性逐漸增加，高壓力/溫度平臺(tái)逐步形成，且平穩(wěn)性優(yōu)良，足以滿足驅(qū)動(dòng)激波管運(yùn)行的需要。另外，根據(jù)文獻(xiàn)[20]的相關(guān)試驗(yàn)研究結(jié)果，對(duì)于壓縮管末端被壓縮氣體壓力可能出現(xiàn)的某些高頻擾動(dòng)波，變截面活塞壓縮器較長(zhǎng)的細(xì)段將有助于抑制這一現(xiàn)象的發(fā)生。

表2中算例1-1實(shí)際對(duì)應(yīng)著傳統(tǒng)自由活塞壓縮器驅(qū)動(dòng)的激波管，而算例1-4對(duì)應(yīng)著變截面活塞壓縮器所驅(qū)動(dòng)的激波管(此時(shí)壓縮管細(xì)段內(nèi)徑剛好等于激波管內(nèi)徑)。在這兩個(gè)算例中，驅(qū)動(dòng)段容積十分接近(暗示驅(qū)動(dòng)氣體質(zhì)量接近)。因此這兩個(gè)算例的相關(guān)對(duì)比結(jié)果，體現(xiàn)了理想情況下變截面壓縮器的優(yōu)勢(shì)。具體地說(shuō)，在相同壓縮比和驅(qū)動(dòng)氣體組分、壓力和溫度下，雖然變截面活塞壓縮器驅(qū)動(dòng)的激波管獲得的入射激波速度弱于傳統(tǒng)自由活塞壓縮器驅(qū)動(dòng)的激波管，但是由于變截面活塞壓縮器驅(qū)動(dòng)的激波管有效抑制了激波衰減，在激波管末端，激波速度仍比傳統(tǒng)情況要高出不少。

根據(jù)激波風(fēng)洞長(zhǎng)期的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，對(duì)變截面活塞壓縮器而言，壓縮管細(xì)段內(nèi)的驅(qū)動(dòng)氣體壓力/溫度將存在一定的損失。在膜片打開(kāi)時(shí)刻，壓縮管細(xì)段中被壓縮氣體壓力/溫度將低于傳統(tǒng)活塞壓縮器相應(yīng)值，這是采用變截面壓縮器需要付出的代價(jià)。截面突然變化區(qū)域出現(xiàn)的流動(dòng)分離和復(fù)雜波系是導(dǎo)致壓力損失的主要原因。以下仍將結(jié)合算例1-1和1-4，在計(jì)及壓力損失情況下，簡(jiǎn)單地評(píng)估變截面活塞壓縮器可能獲得的驅(qū)動(dòng)性能的提升。

在理想情況下，膜片打開(kāi)時(shí)刻變截面壓縮管末端壓力和溫度分別為pDr,r和TDr,r(即理想情況下的驅(qū)動(dòng)壓力p4和溫度T4)，根據(jù)臨界條件及等熵關(guān)系，壓縮管細(xì)段入口處的氣體壓力p*和溫度T*滿足

(5)

根據(jù)表2中驅(qū)動(dòng)氣體的狀態(tài)，可得到p*=

0.487pDr,r=27.767 MPa，T*=3 407.25 K。實(shí)際運(yùn)行中，激波管驅(qū)動(dòng)段內(nèi)的驅(qū)動(dòng)氣體平均壓力p4,real通常滿足

p*

(6)

若以p*和T*作為驅(qū)動(dòng)氣體壓力和溫度的下限，根據(jù)激波關(guān)系式，計(jì)算得到入射激波速度US,0real為2.955 km/s(被驅(qū)動(dòng)氣體參數(shù)見(jiàn)表2)。式(1)表明，在激波管幾何尺寸相同的前提下，激波衰減程度和激波速度正相關(guān)。另外，根據(jù)經(jīng)典激波管理論，在相同激波管尺寸和驅(qū)動(dòng)/被驅(qū)動(dòng)氣體組分下，激波速度越弱，膨脹波追趕上接觸面的時(shí)間越滯后。因此，在算例1-4的幾何尺寸下，當(dāng)驅(qū)動(dòng)氣體壓力溫度降低時(shí)，激波衰減僅由黏性引起，且衰減水平低于算例1-1，于是可以知道激波末端速度US,freal不小于2.955×0.975≈2.88 km/s，該值仍大于算例1-1下的激波末端速度2.812 km/s。這個(gè)極端情況暗示，如果壓力損失使得壓縮完成時(shí)刻驅(qū)動(dòng)氣體壓力下降為理論值的0.487倍(溫度按照等熵關(guān)系折算)，那么激波末端速度將增加得不多，但是反射稀疏波到達(dá)激波管末端的時(shí)間卻將大為延遲。

假若認(rèn)為，激波管驅(qū)動(dòng)段內(nèi)驅(qū)動(dòng)氣體的實(shí)際壓力和溫度接近如下幾何平均值

(7)

則經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的計(jì)算可得到p4,real=0.698pDr,r，T4,real=0.866TDr,r。在這個(gè)驅(qū)動(dòng)狀態(tài)下，入射激波速度US,0real=3.374 km/s，略低于1-4條件下的理論值US,0=3.50 km/s，其激波的末端速 度也應(yīng)滿足US,freal≥3.374×0.975=3.290 km/s，該值比算例1-1中的末端速度高出約17%。而反射膨脹波的不利影響也將得到相應(yīng)的延遲。

5 結(jié) 論

1) 在自由活塞激波風(fēng)洞中，激波的衰減主要由邊界層黏性和反射膨脹波引起，在多數(shù)情況下，后者的影響可能處于主導(dǎo)地位。在壓縮結(jié)束時(shí)刻，活塞前臉與主膜片之間的短促距離，是導(dǎo)致反射膨脹波產(chǎn)生影響的根本原因。

2) 變截面驅(qū)動(dòng)帶來(lái)的增益，通常不足以補(bǔ)償反射膨脹波引起的激波衰減，傳統(tǒng)自由活塞激波風(fēng)洞的理論設(shè)計(jì)構(gòu)型需要作出適當(dāng)調(diào)整。

3) 變截面活塞壓縮器的構(gòu)型有利于減緩激波的衰減，延長(zhǎng)風(fēng)洞有效試驗(yàn)時(shí)間。在這種構(gòu)型下，活塞可以獲得充分減速；壓縮結(jié)束前后被壓縮氣體(驅(qū)動(dòng)氣體)具有平穩(wěn)的壓力/溫度平臺(tái)，可以滿足激波管驅(qū)動(dòng)要求。

4) 在實(shí)際運(yùn)行中，變截面活塞壓縮器驅(qū)動(dòng)的激波管存在一定的壓力損失，只要驅(qū)動(dòng)氣體壓力損失控制得當(dāng)，其焓值仍將明顯高于傳統(tǒng)自由活塞激波管。

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Attenuationofincidentshockwavesinfreepistonshocktunnels

ZHUHao*,JIANGHainan,ZHANGBingbing

ChinaAcademyofAerospaceAerodynamics,Beijing100074,China

Attenuationofincidentshockwavesinfreepistonshocktunnelsisofgreatimportant,whichnotonlyreducestheenthalpy,pressureandsteadiness,butalsoimposesconstraintsonvalidtestingtime.Inthisstudy,anattemptofinvestigationofmainreasonsofattenuationofshockwavewascarriedoutbasedonthestructuralfeaturesoffreepistontunnels.Afterneglectingsomerandomfactors,twoimportantfactorsofattenuation,viscosityoftheboundarylayerandthereflectedexpansionwave,werestudied.Theresultsshowthatthelatterfactorplaysmajorroleinfreepistonshocktunnels.Whenthemaindiaphragmruptures,thefrontfaceofthepistonisveryclosetothemaindiaphragm,whichleadstoreflectedexpansionwavetocatchupwiththeinterfaceorshockwaveearlier.Anewcompressiontubewithanabruptareachangewasproposed,whichcandelaytheinteractionbetweenthereflectedexpansionwaveandtheinterface(orshockwave).Inthenewcompressiontube,thesteadypressureandtemperatureofdrivergascouldbeformedintheendofthetubewhilethefreepistondeceleratedtoasafetyspeed.

freepistonshocktunnel;incidentshockwave;attenuation;compressiontube;safevelocity

2017-04-17；

2017-06-20；

2017-07-14；Publishedonline2017-07-201554

URL：http://hkxb.buaa.edu.cn/CN/html/20171204.html

NationalNaturalScienceFoundationofChina(11572303)

.E-mail13439821690@163.com

http://hkxb.buaa.edu.cnhkxb@buaa.edu.cn

10.7527/S1000-6893.2017.121328

2017-04-17；退修日期2017-06-20；錄用日期2017-07-14；網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間2017-07-201554

http://hkxb.buaa.edu.cn/CN/html/20171204.html

國(guó)家自然科學(xué)基金(11572303)

.E-mail13439821690@163.com

朱浩，江海南，張冰冰.自由活塞激波風(fēng)洞的入射激波衰減J. 航空學(xué)報(bào)，2017,38(12):121328.ZHUH,JIANGHN,ZHANGBB.AttenuationofincidentshockwavesinfreepistonshocktunnelsJ.ActaAeronauticaetAstronauticaSinica，2017,38(12):121328.

V211.751

A

1000-6893(2017)12-121328-09

王嬌)