隔離段橫向噴流作用下激波串運動特性研究

李一鳴, 李祝飛,*, 楊基明, 吳穎川

(1.中國科學技術(shù)大學 近代力學系, 合肥 230027; 2.中國空氣動力研究與發(fā)展中心超高速空氣動力研究所 高超聲速沖壓發(fā)動機技術(shù)重點實驗室, 四川 綿陽 621000)

0 引 言

隔離段作為超燃沖壓發(fā)動機重要的組成部分之一，其作用是承受燃燒室反壓及隔離進氣道和燃燒室，通過激波與邊界層相互作用產(chǎn)生的激波串結(jié)構(gòu)，匹配進氣道與燃燒室工作條件，從而實現(xiàn)發(fā)動機較寬的工作范圍[1]。大量關(guān)于激波串準穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)的研究[2-5]表明：反壓、壁溫[6]、截面形狀[7-8]等因素，通過改變激波串的形態(tài)和長度，繼而直接影響隔離段設(shè)計。然而，隨著迎角[9]和反壓[10-12]的變化，激波串在隔離段內(nèi)的運動本質(zhì)上是一個動態(tài)過程。此外，因上游進氣道對氣流的壓縮作用，在隔離段內(nèi)事先形成的反射激波(背景波系[13-15])也會影響激波串的運動過程。

鑒于進氣道/隔離段流動的復雜性，為獲得激波串運動規(guī)律，自由射流風洞實驗是其中重要一環(huán)。由于直接使用燃燒產(chǎn)生反壓[16-17]開展進氣道/隔離段實驗的難度較大、成本較高，一般采用節(jié)流擋板、堵錐等機械結(jié)構(gòu)[18-19]調(diào)節(jié)流道出口面積，或噴射高壓氣流[20]產(chǎn)生流動壅塞，迫使隔離段內(nèi)產(chǎn)生激波串。常規(guī)風洞實驗時間較長，這些措施容易施展；而激波風洞實驗時間很短，進行激波串運動特性研究不僅富有挑戰(zhàn)性，而且對在高焓脈沖風洞中開展大尺度進氣道/隔離段模型實驗具有重要參考價值。李祝飛等使用預先設(shè)置楔形堵塊的方式[21-22]，在激波風洞中開展了進氣道激波振蕩研究。然而，這種預先“硬”堵塞流道的被動控制方法，不僅在激波風洞中難以調(diào)節(jié)和卸除反壓，而且在實驗初期產(chǎn)生的激波串前移現(xiàn)象與激波風洞及進氣道的流場建立過程相耦合，并不具有普適性。因此，需要發(fā)展一種適用于激波風洞的、待進氣道流場穩(wěn)定后再產(chǎn)生反壓的實驗方法。

本文在不改變流道出口幾何面積的前提下，采用隔離段壁面橫向噴流產(chǎn)生的“軟”堵塞，主動控制隔離段的反壓變化，以期更加接近燃燒形成的反壓的影響，研究激波串在噴流形成的反壓作用下的運動特性。

1 實驗模型及實驗方法

實驗在中國科學技術(shù)大學KDJB330激波風洞中開展。風洞采用的型面噴管出口直徑330mm，試驗段長1.8m，截面直徑約0.7m。來流名義馬赫數(shù)為6，總溫875K，總壓1.52MPa。使用氮氣驅(qū)動空氣，采用平衡接觸面運行方式。

使用的二元進氣道模型與文獻[21-22]類似，如圖1所示，模型寬54mm，唇口捕獲面高15.3mm，第一級壓縮面長126mm，壓縮角9°，第二級壓縮面長120mm，再進行5°壓縮，等直隔離段長134mm，高10mm。隔離段下壁面布置2排直徑3.6mm的橫向噴流孔，分別距離隔離段出口40和50mm，每排7個噴流孔，孔心間距7mm。為了加快氣流在隔離段內(nèi)的蓄積過程，在隔離段出口預先安裝高度1.5mm的楔形堵塊。模型側(cè)板安裝玻璃觀察窗，以便對流場進行紋影觀測。唇罩壁面(上壁面)沿中心線布置5個壓阻式壓力傳感器NS-2(Shanghai TM-sensor Co., Ltd.)，量程300kPa，滿量程精度0.2%，按流向編號CH1～CH5，其中CH4位于第一排噴流孔附近，用于監(jiān)測隔離段反壓。紋影采用PHANTOM V611高速攝影機進行拍攝，拍攝速率20 000幀/s，曝光時間2μs。

噴流系統(tǒng)如圖2所示。由于激波風洞的實驗時間短，需要快速響應(yīng)的噴流裝置，經(jīng)過探索和篩選，采用動作時間約為3ms的電磁閥(MAC-34C系列，通徑1.8mm)作為噴流控制器，氣源由800±20kPa的儲氣罐提供。風洞運行時,通過激波管內(nèi)的運動激波觸發(fā)數(shù)字延時器DG645(Stanford Research Systems)，產(chǎn)生多路方波信號，分別觸發(fā)高速紋影系統(tǒng)和壓力采集系統(tǒng)，同時利用DG645的延時功能，控制噴流電磁閥打開和關(guān)閉。

2 結(jié)果與討論

噴流時序控制路徑為：事先關(guān)閉噴流，待進氣道/隔離段流場建立后打開噴流，直至激波串被推出進氣道后，再關(guān)閉噴流。根據(jù)進氣道/隔離段流動現(xiàn)象的不同，實驗過程可大致分為流場建立、激波串前移、喘振和再起動4個階段。

圖3給出了模型上壁面CH1～CH5的壓力信號(采用來流靜壓p∞進行無量綱化)。在t=20ms時刻，測量系統(tǒng)被觸發(fā)；t=41ms左右，風洞實驗氣流開始流入進氣道，進氣道/隔離段流場逐漸建立；t=44ms左右，噴流進入隔離段，隔離段反壓升高，激波串開始形成，并向上游運動；t=57ms左右，進氣道不起動，并出現(xiàn)喘振現(xiàn)象；隨著噴流關(guān)閉，反壓降低，t=71ms左右，進氣道進入再起動階段。

2.1 進氣道流場建立階段

由于事先關(guān)閉噴流，在流場建立階段，進氣道能夠正常起動。從圖3的壓力信號和圖4的紋影照片可以看出，t=43ms之后，流場和沿程壓力均較為平穩(wěn)，進氣道處于穩(wěn)定的起動狀態(tài)。考慮到實驗的壓力測點有限，為獲得沿程壓力分布規(guī)律，前期采用三維數(shù)值模擬計算了該進氣道(無堵塊)通流狀態(tài)下的流場[23]。對稱面的數(shù)值紋影和壁面壓強分布如圖5所示，均與實驗符合較好。這也表明：為了在后續(xù)實驗中加快氣流積累而在隔離段出口預設(shè)堵塊，雖然產(chǎn)生了激波7(圖4)，但并未對其上游流動產(chǎn)生明顯影響。

在進氣道起動狀態(tài)的流場中(圖4)，唇口激波1與進氣道肩點附近邊界層作用，使得下壁面出現(xiàn)流動分離，產(chǎn)生較弱的分離激波2和較強的再附激波3，此外，肩點和分離區(qū)外緣還產(chǎn)生了膨脹波。激波和膨脹波在隔離段上下壁面間多次反射，導致壁面壓強出現(xiàn)峰谷值交替(圖5)。對于上壁面(唇口側(cè))，激波3入射在CH2附近，產(chǎn)生分離激波4和反射激波5，并在激波3入射點下游附近出現(xiàn)壓強峰值點。與之類似，激波5入射在下壁面，產(chǎn)生反射激波6，并在激波5入射點下游也出現(xiàn)壓強峰值點。

進氣道的起動流場構(gòu)成了后續(xù)激波串前移時的背景流場，而隔離段噴口上游的多道反射激波，構(gòu)成了非對稱的背景激波。鑒于后續(xù)激波串前沿激波上游的流場仍然與背景流場類似，根據(jù)Li等[10]的研究，由背景激波引起的壓力分布，可以定性預測出：在背景激波壓強峰值點和入射點之間會出現(xiàn)激波串的急劇前移現(xiàn)象。然而，由于實際流動的復雜性，這一現(xiàn)象仍然需要實驗檢驗。

2.2 激波串前移階段

橫向噴流開啟后，在t=44ms左右噴流進入隔離段，反壓隨之逐漸升高，激波串開始形成并向上游運動。為了從整體上分析和把握激波串前移階段，從t=40～58ms的紋影照片序列中，提取距離隔離段上壁面1mm和距離下壁面3.5mm處(圖4中Line1和Line2所示位置)的灰度值制作x-t圖，如圖6所示。x-t圖中的橫坐標是沿流向位置，縱坐標是時間，色階是紋影照片的灰度。圖6直觀反映出激波串前移階段的激波運動軌跡。

如圖7所示，t=44ms紋影照片中噴口處出現(xiàn)的激波表明，噴流逐漸進入隔離段。隨著氣流在隔離段下游不斷地積累，上壁面CH5的壓強明顯升高(圖3)。t=46ms左右，噴流已經(jīng)穩(wěn)定，隔離段內(nèi)出現(xiàn)激波串，可以清晰地看到激波串的前沿由于流動分離而形成的分離激波8，后續(xù)分析中以該前沿激波的運動代表激波串的運動。此時，前沿激波8呈X形結(jié)構(gòu)“騎”在噴流上，該激波結(jié)構(gòu)的上半支位于CH4上游，下半支也入射在CH4附近，使得CH4的壓力信號產(chǎn)生階躍(圖3)。這一過程，在x-t圖中表現(xiàn)為噴流逐漸增強(圖6(b))，出現(xiàn)激波串及前沿激波8(圖6(a))。

激波串前移過程中，其前沿激波上下兩個分支的強度和形狀會發(fā)生變化，在背景激波的入射點附近尤為明顯。如圖8(a)所示，在t=46.2～46.4ms，前沿激波8的下半支快速前移，跨過背景激波5在下壁面的入射點，從紋影和x-t圖(圖6(b))可知，前沿激波8運動速度約為61m/s(實驗室坐標系)。在激波串的前移方向上，背景激波5在下壁面的入射點處，本身就存在較強的逆壓梯度，雖然背景流場中沒有出現(xiàn)流動分離區(qū)，但是當反壓前傳至該區(qū)域時，其流動分離的趨勢惡化，繼而前沿激波8的下半支表現(xiàn)為急劇前移。隨后，前沿激波8進入背景流場的順壓梯度區(qū)(圖5)，下壁面抵抗流動分離的能力增強，因而前移速度明顯降低，在t=47.0～47.2ms，其平均速度約為12m/s。此時，由于前沿激波8上游背景流場的下壁面壓強低于上壁面(圖5)，更有利于激波串前移，導致前沿激波的下半支始終靠前并占主導。

如圖8(b)所示，在t=47.2ms時，前沿激波8運動到背景激波3在上壁面的入射點下游。由于背景流場本身已經(jīng)存在較強的逆壓梯度(圖5)，并產(chǎn)生了較小的流動分離區(qū)，當反壓前傳至該區(qū)域時，上壁面的流動分離加劇，導致前沿激波8的上半支急劇前移。如t=47.3ms紋影所示，前沿激波8的上半支迅速跨過背景激波3在上壁面的入射點，并與背景激波4合并。前沿激波的上半支占主導，而下半支仍處于背景流場的順壓梯度區(qū)(圖5)，變化較小。

在t=47.3～48ms時，前沿激波緩慢前移，在此過程中，其上半支處于背景流場的順壓梯度區(qū)(圖5)，其下半支雖然處于背景流場的逆壓梯度區(qū)，但該逆壓梯度平緩(圖5)，使得其下半支增強緩慢。如圖8(c)中t=48ms紋影所示，前沿激波的下半支與背景激波3合并。隨著反壓的前傳，在t=48.3ms左右，激波串在下壁面的分離區(qū)與背景波系中唇口激波1誘導的分離區(qū)融合，使得肩點處的分離區(qū)顯著增大，背景波系中原有的分離激波2也明顯增強；同時，分離激波2在上壁面的反射激波也明顯增強。由于肩點處的分離區(qū)融合，后續(xù)分析中將分離激波2看作是激波串的前沿激波。

背景波系通過在隔離段內(nèi)產(chǎn)生的壓強變化，特別是壁面邊界層內(nèi)壓強分布規(guī)律的變化，影響激波串前移過程。借助通流狀態(tài)下數(shù)值模擬得到的背景流場(圖5)，獲得了背景激波以及逆壓梯度區(qū)分布示意圖，如圖9中紫紅色區(qū)域所示。對圖8激波串前移過程的分析表明：在背景激波入射點附近，壁面壓強事先存在較強的逆壓梯度，使前沿激波相應(yīng)一側(cè)的分支增強并快速前移。隔離段內(nèi)前沿激波快速前移的區(qū)域，與圖9背景流場中近壁面處的逆壓梯度區(qū)大致相符。

如圖10所示，激波串的前沿激波跨過肩點后，并沒有迅速前移產(chǎn)生溢流，而是在t=49～56ms左右，分離激波2和其產(chǎn)生的反射激波9在肩點附近出現(xiàn)振蕩，從圖6中可以清晰地看出這種振蕩形成的Z字形軌跡。這種振蕩與Tan等[13]觀測到的由于側(cè)向溢流而出現(xiàn)的進氣道“小喘”不同，本文進氣道模型被側(cè)壁限制(圖2)，此時沒有發(fā)生溢流，但仍然存在分離激波振蕩。其原因主要是：對逆流前移的分離激波2而言，內(nèi)收縮段的流道面積大于隔離段，可以容納更大的流動分離區(qū)，因此，有利于緩解下游的反壓。如圖10所示，當分離激波2向上游移動時(t=49.2ms)，其強度增大，反射激波9波后的壓力隨之升高，同時，靠近上壁面的超聲速通道也擴大，使得抗反壓能力增強，CH1下游的激波串回撤；繼而肩部的逆壓梯度下降，分離區(qū)縮小，分離激波2又退回下游(t=49.4ms)；此時，喉道處的超聲速通道減小，抗反壓能力下降，下游的激波串再次前移，通過增大肩部分離區(qū)又推動分離激波2向上游移動(t=49.7ms)，如此往復振蕩。然而，這一振蕩過程只能短暫維持，隨著噴流不斷積累，反壓繼續(xù)升高，在t=52ms之后，激波串又持續(xù)向上游移動。從圖6可知，前沿激波整體向上游移動的同時仍然存在振蕩。

2.3 喘振及再起動階段

隨著噴流的持續(xù)進行，隔離段內(nèi)氣流進一步積累，反壓不斷增加(圖3中的CH4)。如圖11所示，在t=57ms時，分離激波2運動到唇口附近，與唇口激波1之間產(chǎn)生馬赫反射。隨后進氣道發(fā)生溢流并出現(xiàn)喘振現(xiàn)象，分離激波在唇口外前后振蕩。進氣道不起動后，雖然隔離段壓強的平均值有所下降，但喘振造成的峰值壓強仍然較高(圖3)。

在進氣道不起動后，關(guān)閉控制噴流的電磁閥，噴流管路中殘余氣體產(chǎn)生的噴流強度大幅減弱，使得反壓降低，進氣道進入再起動階段。如圖12所示，在t=71.5ms時，分離激波2退回到內(nèi)收縮段，并與唇口激波1發(fā)生馬赫反射，然后，分離泡逐漸被吞入隔離段。在t=73.1ms時，分離激波入射在CH1附近，但沒有出現(xiàn)明顯的振蕩。隨著肩部分離區(qū)的縮小，t=75ms時，隔離段前部的流場以及CH1和CH2的壓力已經(jīng)穩(wěn)定(圖3)。由于隔離段積累的高壓氣體的排出過程較為緩慢，在試驗時間的末期，CH3下游流動未能達到與噴流開啟前(圖4中t=43ms)完全相同的狀態(tài)，但是進氣道已經(jīng)起動。實際上，通過縮短噴流持續(xù)時間的手段很容易消除這種現(xiàn)象。這也表明，該進氣道具有自起動能力。

3 結(jié) 論

(1) 隔離段橫向噴流模擬反壓的方式，不改變流道出口幾何面積，通過合理設(shè)計噴流時序，能夠在激波風洞有限的實驗時間內(nèi)控制隔離段出口反壓，為在脈沖風洞中開展激波串運動規(guī)律、進氣道起動性能和抗反壓能力的研究，提供了一種有效的途徑。

(2) 隨著噴流在流道內(nèi)積累，隔離段出口壓強升高，產(chǎn)生向上游運動的激波串，激波串前沿激波的運動規(guī)律受進氣道/隔離段內(nèi)的背景激波影響，特別是在背景激波的入射點附近，背景流場自身存在較強的逆壓梯度，使得與入射點同側(cè)的前沿激波分支增強，并出現(xiàn)快速前移。

(3) 噴流產(chǎn)生的反壓將激波串的前沿激波推出至進氣道肩點附近時，進氣道的內(nèi)收縮段在一定程度上具有容納流動分離區(qū)、緩解下游反壓的作用，出現(xiàn)短暫的激波振蕩現(xiàn)象，但是待反壓進一步增大后，進氣道出現(xiàn)不起動溢流。

鑒于激波串運動過程的復雜性，在激波串前移速度的量化比較以及噴流產(chǎn)生的反壓規(guī)律方面，還有待進一步開展細致研究。