TSTO 并聯(lián)分離激波/邊界層干擾流動(dòng)特性分析

范孝華，張慶虎，羅 磊，林敬周，唐志共

(1. 中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心 超高速空氣動(dòng)力研究所，綿陽(yáng) 621000；2. 中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心 計(jì)算空氣動(dòng)力研究所，綿陽(yáng) 621000；3. 中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心，綿陽(yáng) 621000)

0 引 言

兩級(jí)入軌飛行器（two-stage-to-orbit, TSTO）是一種可重復(fù)使用的航天運(yùn)載器（reusable launch vehicle,RLV），能夠?qū)崿F(xiàn)高頻快速進(jìn)出空間，遂行不同類型的飛行任務(wù)，大幅降低航天運(yùn)輸成本。其作為極具潛力的空天運(yùn)輸系統(tǒng)，一直受到國(guó)內(nèi)外廣泛關(guān)注[1-8]。

級(jí)間分離問(wèn)題直接決定了飛行任務(wù)的成敗，是TSTO 飛行器必須解決的關(guān)鍵問(wèn)題[9]。助推級(jí)與軌道級(jí)并聯(lián)布局的TSTO 級(jí)間分離馬赫數(shù)一般設(shè)計(jì)在超聲速或者高超聲速范圍[10]，分離過(guò)程需要經(jīng)歷組合體流動(dòng)、縫隙流、小通道流、大通道流，直至無(wú)干擾流動(dòng)，其間涉及三維激波/激波干擾以及激波/邊界層干擾等復(fù)雜流動(dòng)。這些復(fù)雜流動(dòng)會(huì)引起飛行器表面的邊界層流動(dòng)狀態(tài)以及壓力和熱流載荷急劇變化，進(jìn)而對(duì)兩級(jí)飛行器分離過(guò)程的氣動(dòng)特性產(chǎn)生顯著影響，甚至可能破壞飛行器表面、威脅分離的安全性，導(dǎo)致事故發(fā)生。深入理解和認(rèn)識(shí)TSTO 級(jí)間產(chǎn)生氣動(dòng)干擾的流動(dòng)機(jī)理，探索削弱氣動(dòng)干擾強(qiáng)度的途徑，可以為飛行器氣動(dòng)設(shè)計(jì)以及分離方案的選擇提供有益參考。

Ozawa 等[11]采用半球-圓柱模型作為軌道級(jí)，助推級(jí)則分別選擇三角翼以及構(gòu)型更工程化的高超聲速助推級(jí)模型，通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)獲取馬赫數(shù)8.1 模型周圍的流場(chǎng)特征以及模型壁面熱流分布；研究發(fā)現(xiàn)高超聲速助推級(jí)模型前緣產(chǎn)生了強(qiáng)的頭激波，增加了流過(guò)氣流的總壓損失，進(jìn)而削弱了兩級(jí)模型間的激波/激波和激波/邊界層干擾強(qiáng)度。Uematsu 等[12-14]同樣選擇半球-圓柱模型作為軌道級(jí)，而助推級(jí)則采用截面分別為方形、圓形以及三角形的細(xì)長(zhǎng)體模型，在馬赫數(shù)4 條件下開展不同級(jí)間距的試驗(yàn)與數(shù)值研究；分析了模型周圍流場(chǎng)結(jié)構(gòu)、模型表面壓力分布以及氣動(dòng)力特性，發(fā)現(xiàn)橫截面為三角形的助推級(jí)對(duì)反射激波的減弱效應(yīng)最強(qiáng)，進(jìn)而使得級(jí)間的干擾強(qiáng)度下降最多。王粵等[15]將TSTO 助推級(jí)和軌道級(jí)簡(jiǎn)化為兩個(gè)三維楔，基于重疊網(wǎng)格開展馬赫數(shù)7 條件下層流狀態(tài)不同軌道級(jí)抬升角度的靜態(tài)與動(dòng)態(tài)數(shù)值模擬；獲得兩級(jí)表面壓力載荷、流場(chǎng)結(jié)構(gòu)以及三維流動(dòng)分離拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，研究分析級(jí)間氣動(dòng)干擾對(duì)TSTO 氣動(dòng)分離的影響機(jī)制。Jia 等[16]針對(duì)軌道級(jí)為鈍頭錐 + 圓柱 + 翼構(gòu)型、助推級(jí)為梯形翼的TSTO 模型，通過(guò)數(shù)值模擬研究了馬赫數(shù)8.1 條件下不同級(jí)間距的級(jí)間氣動(dòng)干擾流場(chǎng)，發(fā)現(xiàn)激波/邊界層干擾導(dǎo)致的壁面壓力與熱流的躍升隨著級(jí)間距的增大而減弱。Cheng 等[17]以寬速域飛行器為軌道級(jí)，以帶翼火箭為助推級(jí)，通過(guò)數(shù)值模擬研究了TSTO 飛行器馬赫數(shù)6 條件下的熱環(huán)境。他們分析發(fā)現(xiàn)，火箭頭部產(chǎn)生的激波入射到軌道級(jí)，并在級(jí)間產(chǎn)生逐漸減弱的系列反射激波。雖然激波相對(duì)溫和，沒有導(dǎo)致邊界層發(fā)生分離，但激波作用于壁面還是產(chǎn)生了較高的熱流區(qū)域；并且隨著飛行器攻角的減小，軌道級(jí)迎風(fēng)面的熱流呈下降趨勢(shì)。

已有的研究表明，即使是較為簡(jiǎn)單的TSTO 外形，級(jí)間激波主導(dǎo)的干擾流場(chǎng)也呈現(xiàn)出顯著的三維特征。隨著TSTO 氣動(dòng)構(gòu)型的工程化，級(jí)間的流動(dòng)結(jié)構(gòu)和干擾模式變得更為復(fù)雜和多樣。唐偉等[18]基于建立滿足飛行原理、帶有共性特征、反映氣動(dòng)特性、適合風(fēng)洞試驗(yàn)的研究模型的考慮，設(shè)計(jì)了如圖1 所示的背負(fù)式TSTO 氣動(dòng)構(gòu)型方案，旨在為級(jí)間干擾和動(dòng)態(tài)分離研究提供研究對(duì)象。Peng 等[19]針對(duì)唐偉等的TSTO 標(biāo)模進(jìn)行縮比和適當(dāng)簡(jiǎn)化，在馬赫數(shù)6 來(lái)流條件下開展快響應(yīng)壓敏漆（pressure sensitive paint, PSP）和溫敏漆（temperature sensitive paint, TSP）試驗(yàn)，獲得不同級(jí)間距及攻角條件下激波作用于壁面的干擾區(qū)域壓力和溫度分布。為進(jìn)一步探索TSTO 標(biāo)模級(jí)間激波/邊界層干擾流動(dòng)機(jī)理，本文采用多種試驗(yàn)測(cè)量技術(shù)以及數(shù)值模擬手段，精細(xì)刻畫典型級(jí)間距以及不同流態(tài)條件下模型表面及空間的流動(dòng)特征，揭示TSTO 級(jí)間復(fù)雜三維激波/邊界層干擾流動(dòng)特性。

圖1 TSTO 氣動(dòng)布局方案[18]Fig. 1 TSTO conceptual configuration[18]

1 試驗(yàn)與數(shù)值方法

1.1 研究對(duì)象

本文將TSTO 標(biāo)模進(jìn)行適當(dāng)?shù)目s比和簡(jiǎn)化后作為研究對(duì)象，如圖2 所示。

圖2 TSTO 模型示意圖（單位：mm）Fig. 2 TSTO model configuration (unit: mm)

助推級(jí)為橢圓錐導(dǎo)前機(jī)身 + 邊條后掠翼 + 雙垂尾構(gòu)型，上壁面削平形成的突起平臺(tái)用于安放軌道級(jí)，軌道級(jí)為翼身組合體。本研究重點(diǎn)關(guān)注助推級(jí)與軌道級(jí)之間的干擾流場(chǎng)，因此將助推級(jí)機(jī)身下壁面簡(jiǎn)化為了平面，機(jī)翼簡(jiǎn)化后去掉下折的機(jī)翼翼梢，去掉軌道級(jí)上部垂尾。根據(jù)風(fēng)洞對(duì)模型尺寸的約束，模型幾何縮比為1∶160，助推級(jí)模型總長(zhǎng)LB=531 mm，翼展WB=255 mm；軌道級(jí)模型總長(zhǎng)LO=219 mm，翼展寬度WO=109 mm；軌道級(jí)與助推級(jí)呈上下并聯(lián)布置，水平方向上軌道級(jí)頭部固定在助推級(jí)前緣下游d=206 mm處。助推級(jí)上壁面與軌道級(jí)下壁面之間的距離定義為級(jí)間距h。坐標(biāo)系固定于助推級(jí)上壁面，以軌道級(jí)頭部頂點(diǎn)在助推級(jí)上的投影為原點(diǎn)，x軸與來(lái)流方向一致，y軸垂直助推級(jí)上壁面并向上，z軸滿足右手定則。為便于不同尺度模型之間的對(duì)比與關(guān)聯(lián)，模型坐標(biāo)值及級(jí)間距均以軌道級(jí)長(zhǎng)度LO作為參考長(zhǎng)度進(jìn)行無(wú)量綱化。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備與來(lái)流條件

風(fēng)洞試驗(yàn)在中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心超高速所Φ0.5 m 高超聲速風(fēng)洞中開展。該風(fēng)洞是一座暫沖吹吸式常規(guī)高超聲速風(fēng)洞，單次風(fēng)洞的有效試驗(yàn)時(shí)間可超過(guò)30 s，總壓和總溫控制精度優(yōu)于1%。試驗(yàn)來(lái)流馬赫數(shù)Ma=6，總壓p0=1 890 kPa，總溫T0=492 K。 表1 給出了自由來(lái)流的具體參數(shù)，其中p∞、T∞和Rel分別表示來(lái)流靜壓、靜溫以及單位雷諾數(shù)。

表1 自由來(lái)流條件Table 1 Freestream conditions

1.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)時(shí)，助推級(jí)模型采用具有法向間距調(diào)節(jié)能力的腹部支撐，軌道級(jí)模型采用尾支撐；兩級(jí)模型攻角和側(cè)滑角均為0°；兩級(jí)模型的無(wú)量綱級(jí)間距分別為h/LO=0.023、0.051和0.123，其中級(jí)間距h/LO=0.023條件下的流動(dòng)為分離初始產(chǎn)生的縫隙流，h/LO=0.051條件下的流動(dòng)為級(jí)間具有多次激波反射的典型小通道流動(dòng)，而h/LO=0.123條件下的流動(dòng)為隨著分離距離增大級(jí)間激波反射已減少至1 次時(shí)的末期小通道流動(dòng)。

試驗(yàn)通過(guò)紋影和納米示蹤的平面激光散射（nano-tracer-based planar laser scattering, NPLS）非接觸測(cè)量技術(shù)顯示模型級(jí)間激波/邊界層干擾流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，熒光油流用于獲取助推級(jí)上表面流譜，在級(jí)間上下壁面沿流向布置靜壓測(cè)點(diǎn)以獲取不同級(jí)間距的壓力信息。

紋影光路呈“Z”形布置，觀察窗口直徑為500 mm，紋影相機(jī)分辨率為2048 × 2048，采樣速率為25 幀/s。NPLS 測(cè)量通過(guò)在流場(chǎng)中注入二氧化碳?xì)怏w，在經(jīng)過(guò)噴管膨脹時(shí)凝結(jié)成干冰微團(tuán)作為示蹤粒子；厚度小于1 mm 的脈沖激光片光照射模型中心平面流場(chǎng)，分辨率為2048 × 2048 的CCD 相機(jī)采集干冰產(chǎn)生的瑞利散射瞬時(shí)圖像。油流測(cè)量需要在試驗(yàn)前將混合熒光粉的硅油均勻噴涂到模型表面，試驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)在風(fēng)洞試驗(yàn)段上方布置高速攝影儀獲取熒光油流流動(dòng)圖譜，圖像分辨率為1920 × 1080，采樣速率為69 幀/s。

試驗(yàn)通過(guò)DTC initium 電子掃描壓力測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量級(jí)間壁面靜壓，其中在助推級(jí)上壁面中心線x/LO=0.11～1.21范圍內(nèi)均布13 個(gè)靜壓測(cè)點(diǎn)，在展向z/LO=0.046處x/LO=0.47～1.21范圍內(nèi)均布5 個(gè)測(cè)點(diǎn)；在軌道級(jí)下壁面中心線x/LO=0.27～0.84范圍內(nèi)均布13 個(gè)靜壓測(cè)點(diǎn)，在展向z/LO=0.027處x/LO=0.27～0.89范圍內(nèi)均布10 個(gè)測(cè)點(diǎn)。所有測(cè)點(diǎn)通過(guò)管道連接到上量程為69 kPa 的掃描模塊上，綜合測(cè)量精度優(yōu)于±0.1% FS。

1.4 數(shù)值模擬方法

定常數(shù)值模擬用于獲取更多的級(jí)間空間流場(chǎng)信息。不考慮側(cè)滑情況，選取半模進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算采用中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心自主研發(fā)的非結(jié)構(gòu)計(jì)算流體力學(xué)軟件NNW-FlowStar[20]。該求解器基于二階非結(jié)構(gòu)混合網(wǎng)格的格心型有限體積方法。選擇HLLE + + 格式和Venkatakrishnan 限制器，保證空間為二階精度；分別采用層流和k-ωSST 湍流模型進(jìn)行黏性模擬，用以對(duì)比不同黏性模式對(duì)模擬結(jié)果的影響。邊界條件使用無(wú)反射的超聲速壓力遠(yuǎn)場(chǎng)和對(duì)稱面邊界，壁面采用等溫壁條件（Tw=300 K）；計(jì)算的自由來(lái)流條件與試驗(yàn)保持一致（詳見表1）。

計(jì)算流場(chǎng)空間采用四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，近壁區(qū)域采用加密四面體棱柱網(wǎng)格，以期更為精確地刻畫近壁區(qū)域的流場(chǎng)細(xì)節(jié)。為提高級(jí)間復(fù)雜反射波系結(jié)構(gòu)及激波/邊界層干擾引起的流動(dòng)分離區(qū)域的分辨率，本文特使用了NNW-FlowStar 軟件內(nèi)置的網(wǎng)格自適應(yīng)模塊[21]。針對(duì)級(jí)間復(fù)雜流動(dòng)特征結(jié)構(gòu)，本文采用激波判別法（特征線判別[22]）用于識(shí)別和標(biāo)記目標(biāo)特征。針對(duì)目標(biāo)網(wǎng)格分布，本文采用“H”形（剖分式）自適應(yīng)技術(shù)對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行優(yōu)化（如圖3 所示）。

圖3 網(wǎng)格自適應(yīng)加密方式[21]Fig. 3 Adaptive mesh refinement approaches[21]

圖4 對(duì)比了有、無(wú)網(wǎng)格自適應(yīng)加密條件下，級(jí)間距h/LO=0.051的層流計(jì)算結(jié)果，分別給出了馬赫數(shù)云圖、壓力系數(shù)云圖為自由來(lái)流動(dòng)壓）及模型表面與對(duì)稱面網(wǎng)格示意圖。如圖4（a）所示，無(wú)網(wǎng)格自適應(yīng)加密得到的激波波面不夠銳利，級(jí)間流場(chǎng)也不夠細(xì)致。而使用網(wǎng)格自適應(yīng)模塊后，網(wǎng)格量由600 萬(wàn)左右增加至2300 萬(wàn)左右，網(wǎng)格沿著激波所在的區(qū)域加密，使得激波和流場(chǎng)的模擬更為精細(xì)，結(jié)果如圖4（b）所示。

圖4 有、無(wú)自適應(yīng)網(wǎng)格加密的層流計(jì)算流場(chǎng)Fig. 4 Laminar flow field with/without adaptive mesh refinement

2 結(jié)果及討論

2.1 壁面邊界層流態(tài)

圖5 給出了h/LO=0.023、0.051、0.123三個(gè)典型級(jí)間距下的NPLS 圖像。

圖5 典型級(jí)間距條件下的NPLS 圖像Fig. 5 NPLS of flow fields within typical stage clearances

在激波入射之前，助推級(jí)和軌道級(jí)的壁面邊界層（BL1和BL2）均處于層流狀態(tài)。當(dāng)激波IS 入射到助推級(jí)上壁面層流邊界層時(shí)，流動(dòng)分離發(fā)生，同時(shí)分離泡以及剪切層引起的流動(dòng)不穩(wěn)定性使得反射激波RS1下游的再附邊界層迅速轉(zhuǎn)捩為湍流狀態(tài)[23-25]。對(duì)于小級(jí)間距h/LO=0.023的情況，助推級(jí)上壁面x/LO=0處（軌道級(jí)頭部頂點(diǎn)的垂直下方）的層流邊界層厚度yδ/LO≈0.038（u/ue=0.99處，如圖6 所示），大于級(jí)間間隙高度，級(jí)間處于邊界層內(nèi)的低動(dòng)量流動(dòng)狀態(tài)，甚至可能發(fā)生“雍塞”的情況，因此在NPLS圖像中級(jí)間沒有呈現(xiàn)顯著的流動(dòng)結(jié)構(gòu)。對(duì)于級(jí)間距h/LO=0.051，反射激波RS1同樣導(dǎo)致了軌道級(jí)下壁面邊界層迅速轉(zhuǎn)捩為湍流。而對(duì)于級(jí)間距h/LO=0.123，RS1入射點(diǎn)靠近軌道級(jí)模型尾部，干擾后的邊界層不在激光照射區(qū)域內(nèi)，并且在激波強(qiáng)度不夠的條件下有可能發(fā)生邊界層在激波入射后仍然保持層流的情況[24]，因此無(wú)法判斷RS1激波作用之后的邊界層流態(tài)。

圖6 助推級(jí)上壁面x/LO = 0 處邊界層厚度Fig. 6 Boundary layer thickness over the upper booster wall at x/LO = 0

鑒于級(jí)間距h/LO=0.051的級(jí)間流場(chǎng)具有典型的激波/邊界層三維多波系復(fù)雜干擾結(jié)構(gòu)特征，本文針對(duì)該級(jí)間距進(jìn)行了詳細(xì)的流動(dòng)特性分析。

2.2 級(jí)間波系結(jié)構(gòu)

圖7 給出了級(jí)間距h/LO=0.051的試驗(yàn)紋影與數(shù)值模擬的對(duì)稱面密度梯度云圖，以虛線標(biāo)示出激波的形狀。助推級(jí)頭部產(chǎn)生的弱斜激波為BS1；軌道級(jí)頭部產(chǎn)生的激波分別為BS2以及IS，IS 作用于助推級(jí)上壁面導(dǎo)致邊界層流動(dòng)分離，并形成反射激波RS1。由于層流邊界層抵抗逆壓梯度的能力較弱，RS1作用到軌道級(jí)下壁面層流邊界層時(shí)形成大尺度的流動(dòng)分離，產(chǎn)生較強(qiáng)的分離激波SS1（紅色虛線標(biāo)示），其作用于助推級(jí)上壁面后還能形成反射激波SS2（見圖7（b））；同時(shí)，RS1在軌道級(jí)下壁面形成的反射激波RS2作用于助推級(jí)層流邊界層時(shí)同樣產(chǎn)生分離激波SS3和反射激波RS3，并最終在軌道級(jí)尾部產(chǎn)生系列壓縮波系。而對(duì)于湍流狀態(tài)（見圖7（c）），RS1在軌道級(jí)下壁面形成的流動(dòng)分離尺度較小，產(chǎn)生的分離激波SS1強(qiáng)度較弱，同時(shí)RS1在級(jí)間壁面來(lái)回反射，依次形成反射激波RS2、RS3以及RS4，在這些激波入射位置未見明顯的流動(dòng)分離結(jié)構(gòu)。

圖7 試驗(yàn)紋影與計(jì)算密度梯度圖Fig. 7 Schlieren result and computed density gradient

圖8 給出了助推級(jí)和軌道級(jí)相對(duì)壁面中心線及展向特定位置的試驗(yàn)與計(jì)算的流向壓力系數(shù)分布。在激波IS 入射前，助推級(jí)上壁面先后經(jīng)歷壓縮與膨脹后，中心線壁面壓力已下降到接近于來(lái)流靜壓的平穩(wěn)狀態(tài)。當(dāng)入射激波IS 作用于壁面邊界層后，流動(dòng)分離與再附發(fā)生，在中心線x/LO=0.276處引起最大壓力躍升（位于反射激波RS1起始點(diǎn)下游），對(duì)應(yīng)的層流和湍流壓力系數(shù)分別達(dá)到0.252 和0.234。而軌道級(jí)由于頭部下壁面凸曲面構(gòu)型產(chǎn)生的膨脹波的影響，壁面壓力持續(xù)下降，反射激波RS1入射軌道級(jí)下壁面邊界層，并在其中心線x/LO=0.471壁面處引起最大壓力躍升，對(duì)應(yīng)的層流和湍流壓力系數(shù)分別是0.118 和0.117。隨后產(chǎn)生的反射激波強(qiáng)度逐漸減弱，引起的壓力躍升也逐漸減小。值得注意的是，由于層流邊界層更易發(fā)生流動(dòng)分離，其分離起始點(diǎn)較湍流狀態(tài)更靠近上游，導(dǎo)致層流邊界層受到激波IS 和RS1作用引起的壓力躍升起始點(diǎn)更靠前。特定展向位置的流向壓力變化趨勢(shì)與中心線基本一致，但具體的壓力系數(shù)值以及波系結(jié)構(gòu)位置存在一定的差異，呈現(xiàn)出干擾的三維特征。此外，由于試驗(yàn)中模型壁面邊界層在激波干擾之前為層流狀態(tài)，干擾后迅速轉(zhuǎn)捩為湍流狀態(tài)（見圖5（b）），因此試驗(yàn)紋影及壓力測(cè)量結(jié)果在第一道激波（IS 或者RS1）的作用結(jié)束之前與層流計(jì)算結(jié)果一致，而在激波作用之后，與湍流計(jì)算結(jié)果吻合。

圖8 模型壁面的流向壓力分布Fig. 8 Streamwise variations of the wall pressure coefficients

2.3 壁面流動(dòng)圖譜

圖9 （a）和圖9（b）分別給出了熒光油流試驗(yàn)獲得的模型壁面流動(dòng)圖譜和計(jì)算得到的壁面極限流線圖。試驗(yàn)中，在入射激波IS 的作用下，助推級(jí)上壁面位于軌道級(jí)頭部下方兩側(cè)的肩部出現(xiàn)了對(duì)稱的旋渦結(jié)構(gòu)，同時(shí)發(fā)現(xiàn)了旋渦下游沿流向方向的分離線；而位于軌道級(jí)垂直下方的干擾區(qū)因被遮擋，所以未能顯示。由于激波RS1的作用，軌道級(jí)下壁面x/LO=0.24附近靠近中心線區(qū)域出現(xiàn)了弧形的分離線，并且在分離線的兩端形成一對(duì)旋渦。通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)與計(jì)算的流線圖譜可以看出，層流計(jì)算結(jié)果在相應(yīng)區(qū)域出現(xiàn)與試驗(yàn)非常類似的流動(dòng)結(jié)構(gòu)，包括流動(dòng)分離線與旋渦結(jié)構(gòu)；而湍流計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)存在較大的差異。這進(jìn)一步說(shuō)明在助推級(jí)上壁面和軌道級(jí)下壁面各自第一道激波干擾結(jié)束前的試驗(yàn)流場(chǎng)更接近于層流狀態(tài)。

圖9 模型壁面流動(dòng)圖譜Fig. 9 Flow topology at the wall

圖10（a）給出了激波IS 作用下的助推級(jí)上壁面干擾區(qū)局部放大圖。圖中層流和湍流結(jié)果以上下對(duì)稱方式給出，同時(shí)給出了壁面的壓力系數(shù)和壁面極限流線；用白色和藍(lán)色虛線分別刻畫分離線和再附線位置，并標(biāo)示出干擾流場(chǎng)中的鞍點(diǎn)S、結(jié)點(diǎn)N 和焦點(diǎn)F，下標(biāo)“b”表示位于助推級(jí)，上標(biāo)“*”代表湍流結(jié)果。圖10（b）則給出了干擾區(qū)壁面中心線最大壓力系數(shù)處（x/LO=0.276，在圖10（a）用黑色虛線標(biāo)示）橫截面的壓力系數(shù)云圖。結(jié)合壁面極限流線與壓力系數(shù)云圖可以看出，激波IS 引起的干擾區(qū)呈現(xiàn)顯著的三維特征。軌道級(jí)頭部產(chǎn)生的三維激波在周向空間上呈環(huán)狀分布（IS），在其入射助推級(jí)上壁面導(dǎo)致流動(dòng)分離的同時(shí)，也形成了反射激波RS1和整體呈弧狀向下游展開的高壓區(qū)。在x/LO=0.276的橫截面處，反射激波RS1的波面在展向逐漸靠近助推級(jí)壁面，形成位于高壓區(qū)內(nèi)中心線以及展向z/LO=0.04附近的兩個(gè)壓力峰值，層流狀態(tài)的展向壓力變化特征更為明顯。此外，壁面分離流動(dòng)是開放的，即分離區(qū)的流線不再都起于分離線、止于再附線，干擾區(qū)內(nèi)出現(xiàn)鞍點(diǎn)、結(jié)點(diǎn)、焦點(diǎn)等臨界點(diǎn)結(jié)構(gòu)[26]，并且層流狀態(tài)的干擾流場(chǎng)區(qū)域要明顯大于湍流狀態(tài)，流場(chǎng)結(jié)構(gòu)也更為復(fù)雜。

圖10 激波IS 入射助推級(jí)上壁面形成的干擾區(qū)流場(chǎng)Fig. 10 Flow fields induced by the impingement of shock wave IS on the upper booster wall

首先，由于層流邊界層抵抗逆壓梯度的能力較弱，在強(qiáng)的入射激波IS 作用下，大尺度流動(dòng)分離產(chǎn)生，形成中心線上x/LO=0.092處的分離鞍點(diǎn)Sb1和x/LO=0.248處的再附結(jié)點(diǎn)Nb1。其次，由于激波IS 的三維特性，高壓區(qū)在展向向下游移動(dòng)且壓力值逐漸降低，致使分離線在展向快速?gòu)澢?；同時(shí)來(lái)流沿分離線的流動(dòng)偏轉(zhuǎn)及分離區(qū)內(nèi)的逆向流動(dòng)共同作用，導(dǎo)致了順時(shí)針螺旋圍繞焦點(diǎn)Fb1的“龍卷風(fēng)”旋渦結(jié)構(gòu)（tornado-like vortex[26]）形成。另外，在靠近助推級(jí)凸起平臺(tái)的邊緣處，平臺(tái)下方氣流進(jìn)入平臺(tái)時(shí)發(fā)生卷曲，形成了順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的源于結(jié)點(diǎn)Nb3的渦結(jié)構(gòu)；該旋渦與來(lái)流相向運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的剪切作用產(chǎn)生了焦點(diǎn)為Fb2的逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)“龍卷風(fēng)”旋渦結(jié)構(gòu)，相鄰的兩個(gè)旋渦將分離線推向上游并以兩者之間的鞍點(diǎn)Sb2-結(jié)點(diǎn)Nb3連線為漸進(jìn)收斂邊界；中心區(qū)域與邊緣的分離線在結(jié)點(diǎn)Nb2處交匯并發(fā)生轉(zhuǎn)折；而源于結(jié)點(diǎn)Nb1的再附線在展向向下游延伸，與高壓區(qū)輪廓相似。此外，平臺(tái)外側(cè)產(chǎn)生的壓縮波（如圖10（b）所示）在平臺(tái)邊緣形成展向逆壓梯度，進(jìn)而引起展向的流動(dòng)分離，形成流經(jīng)結(jié)點(diǎn)Nb2和鞍點(diǎn)Sb3的沿流向方向的二次分離線，以及源于結(jié)點(diǎn)Nb3的二次再附線。而湍流干擾流場(chǎng)則相對(duì)簡(jiǎn)單，湍流邊界層抵抗逆壓梯度能力較強(qiáng)，中心線上的分離鞍點(diǎn)Sb1*和再附結(jié)點(diǎn)Nb1*相對(duì)層流狀態(tài)向內(nèi)收縮，分別位于x/LO=0.121和x/LO=0.219處；同樣的，在助推級(jí)凸起平臺(tái)的邊緣處也有因下方氣流上洗帶來(lái)的旋渦以及展向壓力梯度引起的二次流動(dòng)分離，但是尺度都相對(duì)較??；沿流向方向的二次分離線與再附線分別流經(jīng)鞍點(diǎn)Sb2*和結(jié)點(diǎn)Nb2*。由于湍流分離區(qū)尺度較小，來(lái)流與分離區(qū)逆向流動(dòng)之間的剪切較弱，沒有形成焦點(diǎn)以及“龍卷風(fēng)”旋渦結(jié)構(gòu)。

圖11（a）給出了軌道級(jí)在反射激波RS1作用下的干擾區(qū)壁面流場(chǎng)。圖中鞍點(diǎn)S、結(jié)點(diǎn)N 和焦點(diǎn)F 的下標(biāo)“o”表示位于軌道級(jí)上；同樣的，上標(biāo)“*”代表湍流結(jié)果。圖11（b）則顯示了干擾區(qū)壁面中心線最大壓力系數(shù)處（x/LO=0.471，在圖11（a）用黑色虛線標(biāo)示）橫截面的壓力系數(shù)云圖。反射激波RS1入射軌道級(jí)下壁面引起的高壓區(qū)也呈弧狀向下游展開；在x/LO=0.471截面可以看到未作用到軌道級(jí)壁面、向空間發(fā)展的激波RS1以及在軌道級(jí)壁面反射形成的激波RS2；激波RS2波面在展向也逐漸靠近壁面，并且強(qiáng)度呈遞減趨勢(shì)，層流狀態(tài)壓力系數(shù)在展向的下降速率要高于湍流狀態(tài)，進(jìn)而導(dǎo)致高壓區(qū)在展向持續(xù)距離較短。

圖11 激波RS1 入射軌道級(jí)下壁面形成的干擾區(qū)流場(chǎng)Fig. 11 Flow fields induced by the impingement of shock wave IS1 on the lower orbiter wall

軌道級(jí)壁面邊界層受激波RS1作用引起的分離區(qū)明顯也是開放的，層流狀態(tài)的干擾流場(chǎng)也相對(duì)復(fù)雜且范圍較大。中心線上的分離鞍點(diǎn)So1和再附結(jié)點(diǎn)No1分別位于x/LO=0.300和x/LO=0.430處。在軌道級(jí)邊緣與分離區(qū)內(nèi)，帶展向方向的相對(duì)流動(dòng)導(dǎo)致了展向分離線的彎曲以及焦點(diǎn)位于Fo處的“龍卷風(fēng)”旋渦的產(chǎn)生，進(jìn)而在分離區(qū)內(nèi)形成位于中心線的鞍點(diǎn)So2和So3，以及展向并列的結(jié)點(diǎn)No2和No3。隨后，源于結(jié)點(diǎn)No1、No2、No3的流線在鞍點(diǎn)So4處漸進(jìn)收斂，進(jìn)而將中心分離區(qū)劃分為三個(gè)部分；在鞍點(diǎn)So2-So4和結(jié)點(diǎn)No2-No3圍成的區(qū)域內(nèi)，產(chǎn)生向下游的流動(dòng)，方向與其余兩部分分離區(qū)相反。而對(duì)于湍流狀態(tài)，流動(dòng)分離起始點(diǎn)大幅后移，分離區(qū)的流動(dòng)結(jié)構(gòu)也相對(duì)簡(jiǎn)單，只有中心線上的分離鞍點(diǎn)So1*和再附結(jié)點(diǎn)No1*分別位于x/LO=0.366和x/LO=0.418處，以及經(jīng)過(guò)兩點(diǎn)并在展向發(fā)生彎曲的分離線和再附線，沒有出現(xiàn)其他的鞍點(diǎn)、結(jié)點(diǎn)以及焦點(diǎn)等臨界點(diǎn)。

圖12 給出了RS1下游其余反射激波（RS2~RS4）作用在助推級(jí)和軌道級(jí)壁面的極限流線圖，并用黑色虛線標(biāo)示出圖7 所示激波引起的壁面中心線壓力峰值的位置，在未發(fā)生流動(dòng)分離時(shí)可認(rèn)為是激波入射點(diǎn)。

圖12 激波RS1 下游壁面流場(chǎng)Fig. 12 Flow structures downstream of shock wave RS1

隨著激波在級(jí)間的來(lái)回反射，激波/邊界層干擾強(qiáng)度依次遞減。對(duì)于助推級(jí)，激波SS1沒有引起層流邊界層發(fā)生分離，而激波RS2則導(dǎo)致層流和湍流狀態(tài)均發(fā)生流動(dòng)分離。其中，層流狀態(tài)中心線分離結(jié)點(diǎn)Nb4和再附鞍點(diǎn)Sb4分別位于x/LO=0.622和x/LO=0.687處，由Nb4發(fā)展的分離線呈彎曲狀，依次經(jīng)過(guò)鞍點(diǎn)Sb5、結(jié)點(diǎn)Nb5以及鞍點(diǎn)Sb6，而再附線則終止于結(jié)點(diǎn)Nb6處。此時(shí)，激波RS2在助推級(jí)壁面產(chǎn)生的干擾強(qiáng)度和范圍均遠(yuǎn)小于激波IS 的作用，其中心線分離區(qū)長(zhǎng)度只有后者的42%左右。湍流狀態(tài)的分離區(qū)中心線起始位置分別位于結(jié)點(diǎn)Nb3*（x/LO=0.615）和鞍點(diǎn)Sb3*（x/LO=0.626）處，并且在展向的持續(xù)距離也很短，流動(dòng)分離帶來(lái)的影響較弱。相應(yīng)地，激波SS2和SS3也沒有引起軌道級(jí)層流邊界層發(fā)生分離，而激波RS3產(chǎn)生的層流和湍流狀態(tài)的流動(dòng)分離尺度都很小，特別是湍流狀態(tài)，分離結(jié)點(diǎn)N02*（x/LO=0.819）和鞍點(diǎn)S02*（x/LO=0.823）非常接近，分離對(duì)流動(dòng)帶來(lái)的影響非常弱。

2.4 空間流動(dòng)特征

圖13 給出了激波IS 干擾區(qū)的級(jí)間空間流場(chǎng)結(jié)構(gòu)及流線，其中對(duì)稱面和x/LO=0.276橫截面展示馬赫數(shù)云圖，模型壁面展示壓力梯度。

圖13 激波IS 作用干擾區(qū)的空間流場(chǎng)Fig. 13 Three-dimensional flow fields in the interference area induced by the impingement of shock wave IS

從對(duì)稱面分離泡向展向空間發(fā)展的流線可以看出，分離泡在空間上也不再是封閉形式。其中，層流對(duì)稱面分離泡內(nèi)有流向相鄰焦點(diǎn)Fb1的氣流，因此該處的“龍卷風(fēng)”旋渦流動(dòng)方向是從空間螺旋卷向壁面；而源于焦點(diǎn)Fb2的空間流線則是由壁面螺旋上升并隨主流向下游流動(dòng)。另外，湍流對(duì)稱面分離泡內(nèi)向展向逃逸的氣流則直接隨主流向下游流動(dòng)。助推級(jí)近壁區(qū)域的橫向流動(dòng)在平臺(tái)邊緣處受到逆壓梯度的影響，發(fā)生流動(dòng)分離；明顯地，層流狀態(tài)的這種二次分離尺度要大于湍流狀態(tài)，并且層流較大的流動(dòng)分離還導(dǎo)致其上方產(chǎn)生空間旋渦結(jié)構(gòu)。

圖14 給出了激波RS1干擾區(qū)的級(jí)間空間流場(chǎng)結(jié)構(gòu)及流線，選擇x/LO=0.471處橫截面展示橫向流動(dòng)。由于層流的分離區(qū)較大，導(dǎo)致對(duì)稱面上的分離激波SS1以及與RS1之間的干擾都明顯強(qiáng)于湍流狀態(tài)；同時(shí)，層流對(duì)稱面的分離區(qū)內(nèi)存在對(duì)應(yīng)于壁面鞍點(diǎn)So2和So3的兩個(gè)旋轉(zhuǎn)中心；壁面焦點(diǎn)Fo匯聚有包括來(lái)流、對(duì)稱面分離區(qū)靠近上游的旋轉(zhuǎn)中心以及再附結(jié)點(diǎn)的空間流線，并且呈螺旋狀流向壁面；湍流對(duì)稱面分離區(qū)內(nèi)也有橫向流出并隨主流向下游傳播的氣流。另外，在x/LO=0.471橫截面，軌道級(jí)近壁區(qū)域氣流也由于展向的順壓梯度產(chǎn)生橫向流動(dòng)，但沒有在展向形成流動(dòng)分離。

圖14 激波RS1 作用干擾區(qū)的空間流場(chǎng)Fig. 14 Three-dimensional flow fields in the interference area induced by the impingement of shock wave RS1

3 結(jié) 論

針對(duì)TSTO 標(biāo)模縮比模型，通過(guò)紋影、NPLS、壁面靜壓測(cè)量以及油流圖像等多種試驗(yàn)技術(shù)，結(jié)合層流與湍流的數(shù)值模擬手段，獲取了馬赫數(shù)6 條件下的助推級(jí)與軌道級(jí)典型級(jí)間激波/邊界層干擾流場(chǎng)流動(dòng)圖譜與壓力分布，并展示了壁面干擾結(jié)構(gòu)與空間流場(chǎng)之間的相關(guān)性。通過(guò)分析得到以下結(jié)論：

1）試驗(yàn)中，助推級(jí)與軌道級(jí)模型壁面邊界層在激波入射之前均保持為層流狀態(tài)，激波引起層流邊界層分離的同時(shí)增強(qiáng)了流動(dòng)的不穩(wěn)定性，導(dǎo)致強(qiáng)干擾后的再附邊界層迅速轉(zhuǎn)捩為湍流狀態(tài)，因此試驗(yàn)結(jié)果在第一道激波的作用結(jié)束之前與層流計(jì)算結(jié)果吻合，而在激波作用之后，與湍流計(jì)算結(jié)果一致。

2）激波/邊界層干擾呈現(xiàn)復(fù)雜的三維流動(dòng)特征，軌道級(jí)頭部貼體激波入射至助推級(jí)上壁面形成的高壓區(qū)呈弧狀向下游展開，隨后激波在級(jí)間來(lái)回反射并且激波/邊界層干擾強(qiáng)度依次遞減；同時(shí)，干擾區(qū)內(nèi)存在顯著的橫向流動(dòng)，主分離線與再附線也在展向發(fā)生彎曲變形；分離區(qū)不再是起止于分離線和再附線的封閉結(jié)構(gòu)，而是向空間發(fā)展并隨主流向下游傳播，伴隨上游氣流從側(cè)向匯入，分離區(qū)呈明顯的開放結(jié)構(gòu)。此外，展向的壓力梯度導(dǎo)致在助推級(jí)上壁面平臺(tái)邊緣處發(fā)生流動(dòng)分離，形成沿流向排列的二次分離線與再附線。

3）由于層流邊界層抵抗逆壓梯度的能力較弱，其受到相同激波作用形成的干擾區(qū)明顯大于湍流狀態(tài)，同時(shí)流動(dòng)結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，開放特征也更為顯著。在強(qiáng)干擾區(qū)內(nèi)壁面上存在包括鞍點(diǎn)、結(jié)點(diǎn)、焦點(diǎn)在內(nèi)的臨界點(diǎn)以及有旋渦結(jié)構(gòu)的流動(dòng)特征；且源于焦點(diǎn)的“龍卷風(fēng)”旋渦，其流動(dòng)方向既可能從壁面螺旋上升，也可能從空間螺旋卷向壁面。

4）對(duì)于TSTO 標(biāo)模級(jí)間三維激波/邊界層干擾引起的大尺度流動(dòng)分離與旋渦結(jié)構(gòu)，其非定常特性將是級(jí)間可控分離所關(guān)注的另一焦點(diǎn)問(wèn)題，后續(xù)將開展深入研究。

致謝：感謝中國(guó)航天空氣動(dòng)力技術(shù)研究院沈清、陳蘭、胡靜等在TSTO 標(biāo)模多體分離特性研究中的支持，感謝中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)李祝飛關(guān)于本文研究?jī)?nèi)容的有益討論。