超聲速可調(diào)進(jìn)氣道內(nèi)流雙解現(xiàn)象及其節(jié)流特性

金毅，孫姝，郭赟杰，譚慧俊，張悅

1.南京航空航天大學(xué) 能源與動(dòng)力學(xué)院 江蘇省航空動(dòng)力系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210016 2.南京航空航天大學(xué) 民航學(xué)院，南京 211106

一般地，當(dāng)進(jìn)氣道能通過調(diào)節(jié)自身幾何型面改變其進(jìn)氣量或內(nèi)流波系結(jié)構(gòu)以匹配飛行條件和發(fā)動(dòng)機(jī)工況時(shí)，稱其為可調(diào)進(jìn)氣道。對(duì)于在寬?cǎi)R赫數(shù)范圍內(nèi)工作的超聲速飛行器而言，可調(diào)進(jìn)氣道能兼顧低馬赫數(shù)下的自起動(dòng)能力和高馬赫數(shù)下的氣動(dòng)性能，是工程應(yīng)用中的一個(gè)重要發(fā)展趨勢(shì)。目前可調(diào)進(jìn)氣道主要通過旋轉(zhuǎn)［1-2］、平移［3］唇罩或調(diào)節(jié)喉道［4-8］等方式實(shí)現(xiàn)。其中喉道調(diào)節(jié)作為最常見的調(diào)節(jié)方式，能輕易改變進(jìn)氣道內(nèi)通道中的激波位置和內(nèi)收縮比（ICR），使進(jìn)氣道達(dá)到最佳工作性能，得到了廣泛的應(yīng)用。

由于可調(diào)進(jìn)氣道在喉道調(diào)節(jié)過程中往往會(huì)盡可能增大ICR以提高其臨界性能，因此極易面臨大ICR導(dǎo)致的不起動(dòng)問題［9-11］。當(dāng)不起動(dòng)現(xiàn)象出現(xiàn)后需立即減小ICR使進(jìn)氣道實(shí)現(xiàn)再起動(dòng)。然而由于喉道調(diào)節(jié)過程存在遲滯現(xiàn)象［11］，導(dǎo)致進(jìn)氣道的再起動(dòng)ICR滯后于不起動(dòng)ICR，且其再起動(dòng)過程中出現(xiàn)了豐富的流態(tài)變化。進(jìn)氣道的再起動(dòng)過程實(shí)質(zhì)上是口部分離包逐步被吞入內(nèi)通道的動(dòng)態(tài)演化過程。具體地，隨著ICR減小，進(jìn)氣道依次經(jīng)歷口部大尺度分離誘導(dǎo)的不起動(dòng)流態(tài)、內(nèi)收縮段中小尺度分離誘導(dǎo)的非設(shè)計(jì)流態(tài)和再起動(dòng)流態(tài)。特別地，在進(jìn)氣道內(nèi)收縮段中小尺度分離誘導(dǎo)的非設(shè)計(jì)流態(tài)下，雖內(nèi)收縮段中存在偏離設(shè)計(jì)流態(tài)的復(fù)雜波系結(jié)構(gòu)，但其并未影響進(jìn)氣道的口部流量捕獲特性。因此根據(jù)經(jīng)典教科書中的定義［12］判斷進(jìn)氣道此時(shí)處于起動(dòng)狀態(tài)。該類特殊的非設(shè)計(jì)流態(tài)往往出現(xiàn)在可調(diào)超聲速進(jìn)氣道的再起動(dòng)過程中［11，13-14］，甚至在定幾何進(jìn)氣道［15］的節(jié)流變化過程中同樣存在此類流態(tài)。因此該類流態(tài)的內(nèi)流結(jié)構(gòu)及其工作性能值得關(guān)注和研究。

在進(jìn)氣道的性能參數(shù)中，下游節(jié)流特性直接決定了進(jìn)氣道的臨界總壓恢復(fù)性能和穩(wěn)定裕度，是評(píng)價(jià)進(jìn)氣道工作性能優(yōu)劣的重要標(biāo)準(zhǔn)之一。學(xué)者們通過在出口設(shè)置堵錐［16］或擋板［17］的方式對(duì)超聲速進(jìn)氣道的下游節(jié)流特性開展了大量試驗(yàn)或仿真研究；結(jié)果表明下游節(jié)流造成的擾動(dòng)以結(jié)尾激波的形式向上游傳播［18-23］。當(dāng)來流馬赫數(shù)較低（一般小于2）時(shí)結(jié)尾激波為單道正激波［20］，當(dāng)來流馬赫數(shù)較高（一般大于2.5）時(shí)結(jié)尾激波以正激波串［21］或斜激波串［16-17，19，22-23］的形式存在。此外當(dāng)結(jié)尾激波頭波位于喉道附近時(shí)進(jìn)氣道處于臨界狀態(tài)。一旦下游節(jié)流度進(jìn)一步增加，結(jié)尾激波就不能穩(wěn)定存在于進(jìn)氣道內(nèi)收縮段中，且會(huì)被迅速推出進(jìn)氣道口部，從而形成大范圍的不起動(dòng)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)。然而上述研究均是針對(duì)設(shè)計(jì)流態(tài)下的固定幾何進(jìn)氣道開展的，其與可調(diào)進(jìn)氣道在非設(shè)計(jì)流態(tài)下的節(jié)流特性的區(qū)別仍有待研究。

針對(duì)以上問題，本文設(shè)計(jì)并加工了一個(gè)典型的矩形喉道可調(diào)超聲速進(jìn)氣道，并在其出口設(shè)置了可移動(dòng)堵錐以模擬其下游節(jié)流過程。同時(shí)利用高速紋影觀測(cè)系統(tǒng)和動(dòng)態(tài)壓力測(cè)量系統(tǒng)在來流馬赫數(shù)為2.9的自由射流超聲速風(fēng)洞中開展了試驗(yàn)研究。筆者先對(duì)比研究超聲速可調(diào)進(jìn)氣道在設(shè)計(jì)和非設(shè)計(jì)流態(tài)下的通流內(nèi)流結(jié)構(gòu)，接著對(duì)比研究設(shè)計(jì)和非設(shè)計(jì)流態(tài)下進(jìn)氣道的節(jié)流特性，最后對(duì)比研究設(shè)計(jì)和非設(shè)計(jì)流態(tài)下進(jìn)氣道節(jié)流過程及流動(dòng)機(jī)理。

1 研究對(duì)象

研究對(duì)象為喉道可調(diào)的矩形超聲速進(jìn)氣道，其試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D1所示。進(jìn)氣道主體由外壓縮面、唇罩、側(cè)板、壓縮面?zhèn)群淼揽烧{(diào)機(jī)構(gòu)和泄流系統(tǒng)組成；其中進(jìn)氣道兩側(cè)為豎直側(cè)板，在試驗(yàn)中具備便于流動(dòng)光學(xué)檢測(cè)和易于模型安裝的優(yōu)點(diǎn)。此外進(jìn)氣道的喉道調(diào)節(jié)過程主要通過四連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。同時(shí)在進(jìn)氣道出口處設(shè)置可移動(dòng)堵錐以模擬其下游節(jié)流過程。進(jìn)氣道具體設(shè)計(jì)參數(shù)如下：工作馬赫數(shù)范圍為0～4、激波封口馬赫數(shù)為4、外壓縮面楔角為9°、唇罩壓縮角為7°、總長(zhǎng)為365.20 mm、捕獲高度為40.42 mm、入口高度為24.16 mm、出口高度為27 mm、矩形內(nèi)通道的寬度為40 mm?？烧{(diào)喉道的高度能在8.22～19.97 mm變化，對(duì)應(yīng)的ICR變化范圍為1.21～2.94。由于研究的可調(diào)超聲速進(jìn)氣道具有工作ICR大和工作馬赫數(shù)范圍寬的特點(diǎn)，其內(nèi)收縮段中的激波/邊界層干擾現(xiàn)象嚴(yán)重且內(nèi)流波系結(jié)構(gòu)變化范圍大。因此出于實(shí)際工程應(yīng)用的控制需求，內(nèi)收縮段壓縮面?zhèn)炔贾昧朔植际叫沽飨到y(tǒng)。該泄流系統(tǒng)由分布式泄流縫、獨(dú)立集氣腔和限流喉道組成，共使用了16條流向?qū)挾葹?.5 mm、展向長(zhǎng)度為32 mm的分布式泄流縫。當(dāng)通道內(nèi)的低能流經(jīng)過泄流縫后由2個(gè)獨(dú)立集氣腔收集，隨后從寬度為2 mm的限流喉道排出。此外為獲得進(jìn)氣道的動(dòng)態(tài)壓力數(shù)據(jù)，在試驗(yàn)?zāi)Ｐ屯鈮嚎s面和唇罩上分別開設(shè)了C1～C13和R1～R12共25個(gè)動(dòng)態(tài)壓力測(cè)點(diǎn)；同時(shí)為獲得進(jìn)氣道流場(chǎng)的試驗(yàn)紋影，在側(cè)板上開設(shè)了尺寸為145 mm×29 mm的矩形光學(xué)觀察窗。而且為保證進(jìn)氣道內(nèi)通道的氣密性，在試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦B接處均進(jìn)行了密封處理。

圖1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig.1 Test model

在風(fēng)洞試驗(yàn)過程中，進(jìn)氣道的喉道調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和可移動(dòng)堵錐分別由獨(dú)立的直線步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。在喉道調(diào)節(jié)過程中ICR定義為進(jìn)氣道入口面積和可調(diào)喉道面積之比。在下游節(jié)流過程中對(duì)堵塞度（TR）的定義為

式中：Ath，plug為進(jìn)氣道出口和堵錐之間的最小截面積；Aout為進(jìn)氣道的出口面積。此外為觀察到節(jié)流過程中的穩(wěn)定流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，試驗(yàn)中使用臺(tái)階式調(diào)節(jié)喉道和進(jìn)錐的方式，對(duì)應(yīng)的ICR和堵塞度變化示意圖如圖2所示，圖中t為時(shí)間，電機(jī)信號(hào)的上升沿表示堵錐固定于當(dāng)前ICR或TR，下降沿表示喉部四連桿驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)或堵錐以12 mm/s的速度向上游運(yùn)動(dòng)。

圖2 試驗(yàn)過程中ICR和TR變化示意圖Fig.2 Schematic diagrams of variations of ICR and TR during test

2 試驗(yàn)條件及測(cè)試手段

試驗(yàn)均在南京航空航天大學(xué)的自由射流超聲速風(fēng)洞中完成。該風(fēng)洞運(yùn)行系統(tǒng)主要由入口處的蝶閥、整流段、名義馬赫數(shù)為3.0的拉瓦爾噴管、測(cè)試段、擴(kuò)壓器、閘板閥、真空罐和真空泵組成；其中方形拉瓦爾噴管出口尺寸為200 mm×200 mm，測(cè)試段兩側(cè)開設(shè)有尺寸為280 mm×205 mm的矩形光學(xué)觀察窗，真空罐的體積為400 m3。風(fēng)洞運(yùn)行過程如下：首先開啟真空泵將真空罐內(nèi)抽至真空條件，隨后開啟閘板閥使測(cè)試段內(nèi)同樣達(dá)到真空條件，緊接著開啟入口處的蝶閥，大氣環(huán)境的高壓氣流依次經(jīng)過整流段、拉瓦爾噴管、測(cè)試段、擴(kuò)壓器向真空罐內(nèi)的低壓區(qū)流動(dòng)，由此在測(cè)試段內(nèi)建立了穩(wěn)定的超聲速流場(chǎng)。同時(shí)試驗(yàn)過程中記錄了風(fēng)洞測(cè)試段的來流條件，其中風(fēng)洞的實(shí)際馬赫數(shù)為2.9，來流總壓和總溫分別為102.6 kPa和290.5 K，風(fēng)洞穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)間不少于20 s。該風(fēng)洞運(yùn)行系統(tǒng)的可靠性在前期的研究［24-26］中已經(jīng)得到了充分驗(yàn)證。

此外為獲得進(jìn)氣道的壁面壓力數(shù)據(jù)和流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，試驗(yàn)中分別使用了動(dòng)態(tài)壓力采集系統(tǒng)和高速紋影觀測(cè)系統(tǒng)。在動(dòng)態(tài)壓力采集系統(tǒng)中使用了昆山雙橋傳感器有限公司生產(chǎn)的固有頻率為50 kHz、滿量程為100 kPa、測(cè)量精度為0.1%滿量程的CYG-503A型動(dòng)態(tài)壓力傳感器。其采集的動(dòng)態(tài)壓力信號(hào)由與之匹配的DAQ PCI-6255型數(shù)據(jù)采集卡獲得，該采集卡最多能以256 kB/s的采樣速率同時(shí)采集40個(gè)通道的壓力數(shù)據(jù)，試驗(yàn)中采集卡的采樣率為20 kHz。需要注意的是C6、R7和R12等動(dòng)態(tài)壓力測(cè)點(diǎn)損壞，因此在后續(xù)分析過程中將其剔除。在高速紋影觀測(cè)系統(tǒng)中選擇由Nikon公司生產(chǎn)的MEMRECAM HX-3型高速攝影儀，試驗(yàn)過程中將其幀率設(shè)置為6 000、分辨率為1 152×336、快門時(shí)間為2 μs。同時(shí)為更清晰地顯示進(jìn)氣道的邊界層及流動(dòng)分離現(xiàn)象，紋影采集過程中均使用水平刀口。此外試驗(yàn)中使用外觸發(fā)信號(hào)觸發(fā)高速攝影儀，同時(shí)該信號(hào)被動(dòng)態(tài)壓力采集系統(tǒng)記錄以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)壓力采集系統(tǒng)和高速紋影觀測(cè)系統(tǒng)的同步，便于后續(xù)數(shù)據(jù)分析。

3 進(jìn)氣道內(nèi)流雙解現(xiàn)象

在試驗(yàn)過程中進(jìn)氣道ICR的變化通過調(diào)節(jié)喉道面積而實(shí)現(xiàn)。初始狀態(tài)下進(jìn)氣道處于小ICR的通流起動(dòng)狀態(tài)，隨后正向調(diào)節(jié)喉道以增加ICR，當(dāng)ICR過大導(dǎo)致進(jìn)氣道不起動(dòng)后反向調(diào)節(jié)喉道以減小ICR，直至進(jìn)氣道再起動(dòng)。在上述過程中，當(dāng)ICR=1.79～2.04時(shí)出現(xiàn)了流動(dòng)響應(yīng)遲滯現(xiàn)象。其中當(dāng)ICR=1.79時(shí)存在設(shè)計(jì)流態(tài)和非設(shè)計(jì)流態(tài)的特殊雙解流場(chǎng)。因此選擇ICR=1.79的進(jìn)氣道流態(tài)開展針對(duì)性研究。

進(jìn)氣道設(shè)計(jì)和非設(shè)計(jì)流態(tài)下通流流場(chǎng)的試驗(yàn)紋影如圖3所示，對(duì)應(yīng)的壁面測(cè)點(diǎn)壓力分布曲線如圖4所示，圖中p為壓力，x為距離。首先進(jìn)氣道設(shè)計(jì)流態(tài)下的通流流場(chǎng)結(jié)構(gòu)如圖3（a）所示。其主要由外壓縮激波①、唇罩激波②、口部壓縮激波③和內(nèi)通道反射波系④組成。當(dāng)來流經(jīng)過口部激波系減速后其靜壓顯著增加，C3測(cè)點(diǎn)靜壓達(dá)到了約6.2倍來流靜壓（p0）；隨后由于受肩部膨脹的影響，C4測(cè)點(diǎn)靜壓下降至4.8p0；接著在內(nèi)通道中反射激波的作用下，C5測(cè)點(diǎn)靜壓增至6.1p0；最后在喉道下游的擴(kuò)張段中超聲速氣流逐漸加速，其沿程靜壓呈下降趨勢(shì)。該流態(tài)下進(jìn)氣道內(nèi)流波系結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，且內(nèi)通道中無明顯分離，是一類常見的設(shè)計(jì)流態(tài)。

圖3 進(jìn)氣道雙解通流流場(chǎng)（ICR=1.79）Fig.3 Dual-solution inlet unthrottled flowfields（ICR=1.79）

圖4 進(jìn)氣道通流流場(chǎng)壁面壓力分布Fig.4 Surface pressure distributions of inlet unthrottled flowfields

其次進(jìn)氣道非設(shè)計(jì)流態(tài)下的通流流場(chǎng)結(jié)構(gòu)如圖3（b）所示。由于內(nèi)收縮段C1測(cè)點(diǎn)附近存在局部唇罩側(cè)分離包⑤，導(dǎo)致其分離激波與唇罩激波②匯聚形成了一道更強(qiáng)的入射激波。該入射激波與口部壓縮激波③相交后內(nèi)收縮段壓縮面?zhèn)刃纬闪司植狂R赫桿結(jié)構(gòu)⑥，且出現(xiàn)了小范圍的壓縮面?zhèn)确蛛x包⑦。同樣地，上述流場(chǎng)結(jié)構(gòu)在進(jìn)氣道內(nèi)通道中也形成了反射波系④。受唇罩側(cè)分離包的分離激波和再附激波的影響，C1和C2測(cè)點(diǎn)的靜壓分別高達(dá)8.9p0和9.0p0；C3測(cè)點(diǎn)靜壓則受肩部膨脹的影響逐漸下降至6.5p0；隨后C4測(cè)點(diǎn)靜壓在內(nèi)通道中反射激波的作用下增至7.6p0；最后超聲速氣流在擴(kuò)張段中逐漸加速，且沿程靜壓呈下降趨勢(shì)。該狀態(tài)下內(nèi)收縮段中存在多處激波/邊界層干擾導(dǎo)致的分離區(qū)，是一類特殊的非設(shè)計(jì)流態(tài)。

接著對(duì)該類特殊的非設(shè)計(jì)流態(tài)能穩(wěn)定存在于內(nèi)收縮段中的原因開展分析。當(dāng)口部分離包進(jìn)入內(nèi)通道時(shí)，泄流系統(tǒng)能通過排除邊界層分離內(nèi)的低能流大幅減小壓縮面?zhèn)鹊姆蛛x尺寸，使內(nèi)收縮段中的分離區(qū)偏向唇罩側(cè)。此時(shí)唇罩側(cè)分離的肩部位置存在一個(gè)氣動(dòng)喉道，且該氣動(dòng)喉道的面積小于幾何喉道。但從該氣動(dòng)喉道所在位置的波系結(jié)構(gòu)可知主流仍然為超聲速流動(dòng)（并未減速至聲速），表明氣動(dòng)喉道并未導(dǎo)致主流發(fā)生流動(dòng)壅塞現(xiàn)象。此外唇罩側(cè)分離和口部波系結(jié)構(gòu)共同誘導(dǎo)出了壓縮面?zhèn)鹊木植狂R赫桿結(jié)構(gòu)，并在壓縮面?zhèn)刃纬闪诉h(yuǎn)小于唇罩側(cè)分離尺寸的小范圍分離現(xiàn)象。該壓縮面?zhèn)确蛛x誘導(dǎo)的再附激波恰好入射到唇罩側(cè)分離的再附點(diǎn)附近，導(dǎo)致唇罩側(cè)分離下游形成了強(qiáng)逆壓力梯度，阻止了唇罩側(cè)分離繼續(xù)向下游運(yùn)動(dòng)。也就是說在有限的通道內(nèi)，唇罩側(cè)分離誘導(dǎo)的復(fù)雜波系結(jié)構(gòu)反作用于該分離包自身，形成了穩(wěn)定“自持”的流動(dòng)結(jié)構(gòu)。

需要注意的是非設(shè)計(jì)流態(tài)下內(nèi)收縮段中的壓力較高，其喉道靜壓（pth）和泄流量均大于設(shè)計(jì)值。此外由于內(nèi)收縮段中的復(fù)雜波系造成了額外總壓損失，非設(shè)計(jì)流態(tài)下進(jìn)氣道喉道總壓（p*th）小于設(shè)計(jì)值。結(jié)合式（2）中的理想氣體總、靜壓關(guān)系式可得非設(shè)計(jì)流態(tài)下進(jìn)氣道喉道馬赫數(shù)（Math）小于設(shè)計(jì)值。

式中：k為理想氣體比熱比。

圖4補(bǔ)充給出了兩類進(jìn)氣道流場(chǎng)壁面壓力測(cè)點(diǎn)的脈動(dòng)幅度對(duì)比。顯然非設(shè)計(jì)流態(tài)下的內(nèi)通道流場(chǎng)脈動(dòng)幅度遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)流態(tài)下的脈動(dòng)幅度。以內(nèi)收縮段中壓力脈動(dòng)幅度最大的C1測(cè)點(diǎn)為例，使用傅里葉變換和連續(xù)小波變換進(jìn)行了頻域分析（如圖5所示），圖中功率譜密度（PSD）以其均方幅值（MSA）表征，f為頻率。同時(shí)借助Morlet小波［27-28］以提高對(duì)頻率的分辨能力，其波數(shù)設(shè)置為20。從圖5（a）中可看出非設(shè)計(jì)流態(tài)下的進(jìn)氣道發(fā)生了明顯的流場(chǎng)振蕩，其呈現(xiàn)出了較寬的頻率分布范圍，對(duì)應(yīng)的主頻為72.9 Hz；而設(shè)計(jì)流態(tài)下的進(jìn)氣道并未發(fā)生明顯的流場(chǎng)振蕩現(xiàn)象。圖5（b）中非設(shè)計(jì)流態(tài)下的小波頻譜分析可進(jìn)一步證明其流場(chǎng)振蕩呈現(xiàn)出了寬頻特征，且頻率主要集中在100 Hz以下。這是因?yàn)镃1測(cè)點(diǎn)附近分離包自身具備振蕩特性，導(dǎo)致內(nèi)收縮段中出現(xiàn)了一定頻率的小幅振蕩；此外下壁面?zhèn)鹊木植狂R赫桿結(jié)構(gòu)具有不穩(wěn)定特性，導(dǎo)致振蕩呈現(xiàn)出了寬頻特征。

圖5 通流狀態(tài)下進(jìn)氣道C1壓力測(cè)點(diǎn)的頻域分析Fig.5 Frequency domain analyses based on pressure signal slices from C1 of unthrottled inlet

4 進(jìn)氣道節(jié)流特性

第4節(jié)主要對(duì)第3節(jié)設(shè)計(jì)和非設(shè)計(jì)流態(tài)下進(jìn)氣道的節(jié)流特性開展對(duì)比研究。由于進(jìn)氣道構(gòu)型兩側(cè)為豎直側(cè)板，一旦內(nèi)通道中的結(jié)尾激波越過側(cè)板最前緣位置，那么其兩側(cè)將產(chǎn)生溢流，從而改變口部流量捕獲特性。因此當(dāng)監(jiān)測(cè)到外壓縮面最下游測(cè)點(diǎn)R11產(chǎn)生清晰的壓力上升信號(hào)時(shí)判斷進(jìn)氣道開始陷入不起動(dòng)狀態(tài)，此時(shí)對(duì)應(yīng)的堵塞度為臨界堵塞度，以TRC表示。此外定義在不起動(dòng)狀態(tài)出現(xiàn)的上一時(shí)刻進(jìn)氣道依然能維持穩(wěn)定起動(dòng)的狀態(tài)為臨界狀態(tài)；定義臨界狀態(tài)下進(jìn)氣道的臨界壓比為出口靜壓（pC，以C13測(cè)點(diǎn)標(biāo)定）與來流靜壓（p0）之比，以pC/p0表示。

圖6給出了節(jié)流過程中的進(jìn)氣道壁面壓力分布曲線。對(duì)于設(shè)計(jì)流態(tài)下的節(jié)流過程（圖6（a）），當(dāng)TR增加到32.4%時(shí)節(jié)流造成的壓力擾動(dòng)傳遞到C7測(cè)點(diǎn)附近；隨后當(dāng)TR逐步增加到41.7%時(shí)擾動(dòng)傳遞到喉道附近；下一時(shí)刻，當(dāng)TR為42.4%時(shí)C1及其下游測(cè)點(diǎn)靜壓均顯著增加，且外壓縮面上R11測(cè)點(diǎn)的靜壓升高，表明節(jié)流造成的擾動(dòng)已經(jīng)影響到了進(jìn)氣道的口部波系結(jié)構(gòu)，進(jìn)氣道開始陷入不起動(dòng)狀態(tài)，該堵塞度對(duì)應(yīng)為臨界堵塞度；當(dāng)TR為45.0%時(shí)外壓縮面上大部分測(cè)點(diǎn)靜壓遠(yuǎn)高于通流狀態(tài)，進(jìn)氣道不起動(dòng)程度加劇。由于試驗(yàn)中采用臺(tái)階式進(jìn)錐的方式，取TR為41.7%的穩(wěn)定臺(tái)階下進(jìn)氣道的節(jié)流狀態(tài)為臨界狀態(tài)，此時(shí)對(duì)應(yīng)的臨界壓比為15.8。對(duì)于非設(shè)計(jì)流態(tài)下的節(jié)流過程（圖6（b）），雖內(nèi)通道中的初始?jí)荷^高，但其擾動(dòng)傳播過程和設(shè)計(jì)流態(tài)下相似。具體地在TR由0增加至40.0%的過程中擾動(dòng)逐漸從進(jìn)氣道出口傳遞至喉道附近；隨后當(dāng)TR為41.7%時(shí)內(nèi)通道中所有測(cè)點(diǎn)靜壓增加，且R11測(cè)點(diǎn)的靜壓升高，進(jìn)氣道開始陷入不起動(dòng)狀態(tài)，該堵塞度對(duì)應(yīng)為臨界堵塞度；當(dāng)TR為45.0%時(shí)進(jìn)氣道不起動(dòng)程度加劇。取TR為40.0%的穩(wěn)定臺(tái)階下進(jìn)氣道的節(jié)流狀態(tài)為臨界狀態(tài)，此時(shí)對(duì)應(yīng)的臨界壓比為16.0。

圖6 節(jié)流過程中的進(jìn)氣道壁面壓力分布曲線Fig.6 Surface pressure distribution curves of inlet during throttling processes

作為總結(jié)，表1列出了設(shè)計(jì)和非設(shè)計(jì)流態(tài)的進(jìn)氣道節(jié)流特性對(duì)比，其中pth/p0為進(jìn)氣道通流狀態(tài)下的喉道壓比，定義為喉道靜壓（pth，以C4測(cè)點(diǎn)標(biāo)定）和來流靜壓（p0）之比。不難看出非設(shè)計(jì)流態(tài)下內(nèi)收縮段中的復(fù)雜流場(chǎng)使其喉道壓比高于設(shè)計(jì)流態(tài)。而且雖非設(shè)計(jì)流態(tài)下喉道上游的復(fù)雜波系結(jié)構(gòu)造成了額外的總壓損失，但其整體節(jié)流性能與設(shè)計(jì)流態(tài)相當(dāng)（臨界壓比分別為15.8和16.0）。

表1 設(shè)計(jì)和非設(shè)計(jì)流態(tài)的進(jìn)氣道節(jié)流特性對(duì)比Table 1 Comparison of throttling characteristics of inlet under designed and undesigned conditions

5 進(jìn)氣道節(jié)流過程及流動(dòng)機(jī)理

本節(jié)分析設(shè)計(jì)和非設(shè)計(jì)流態(tài)下進(jìn)氣道的節(jié)流過程及流動(dòng)機(jī)理。首先進(jìn)氣道設(shè)計(jì)和非設(shè)計(jì)流態(tài)下節(jié)流過程中的壁面壓力變化曲線如圖7所示。選擇唇罩最上游測(cè)點(diǎn)C1、喉道稍上游測(cè)點(diǎn)C3、唇罩最下游測(cè)點(diǎn)C13和外壓縮面最下游測(cè)點(diǎn)R11等關(guān)鍵測(cè)點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比分析，同時(shí)給出了堵錐電機(jī)的運(yùn)動(dòng)信號(hào)及其穩(wěn)定臺(tái)階對(duì)應(yīng)的堵塞度作為參考。對(duì)于設(shè)計(jì)流態(tài)下的節(jié)流過程，當(dāng)TR達(dá)16.8%時(shí)C13測(cè)點(diǎn)壓力開始呈現(xiàn)出隨TR增大而增大的趨勢(shì)；至TR達(dá)到41.7%的過程中，圖7中其余測(cè)點(diǎn)壓力值均保持不變；接著當(dāng)TR為42.4%時(shí)，R11測(cè)點(diǎn)感受到了明顯壓升，喉道上游C1、C3測(cè)點(diǎn)壓力產(chǎn)生了突變，表明進(jìn)氣道開始陷入不起動(dòng)狀態(tài)；隨后進(jìn)一步增加TR，各測(cè)點(diǎn)振蕩幅度逐漸增加，進(jìn)氣道不起動(dòng)程度加劇。非設(shè)計(jì)流態(tài)下C1和C3測(cè)點(diǎn)的靜壓和脈動(dòng)幅值均高于設(shè)計(jì)流態(tài)，但其節(jié)流過程中的各測(cè)點(diǎn)靜壓變化趨勢(shì)均與設(shè)計(jì)流態(tài)相似。當(dāng)TR＞TRC時(shí)C1、C3和R11等壓力測(cè)點(diǎn)均產(chǎn)生突變，進(jìn)氣道陷入不起動(dòng)狀態(tài)。這表明兩類流態(tài)的進(jìn)氣道下游節(jié)流程度一旦超過某一臨界值將迅速陷入不起動(dòng)狀態(tài)，即其均為“突變型”的節(jié)流不起動(dòng)模式。

圖7 進(jìn)氣道節(jié)流過程中的壁面壓力變化曲線Fig.7 Surface pressure time histories during throttling processes

兩類流態(tài)的進(jìn)氣道在節(jié)流過程中的試驗(yàn)紋影如圖8所示。對(duì)于設(shè)計(jì)流態(tài)下的節(jié)流過程，下游節(jié)流造成的擾動(dòng)以結(jié)尾激波串的形式向上游傳播。為便于分析，圖8中標(biāo)出了喉道下游的背景激波a及其反射激波b、c，同時(shí)標(biāo)出了壓縮面?zhèn)鹊呐蛎洸╠。當(dāng)TR達(dá)32.4%時(shí)紋影觀察窗內(nèi)開始觀察到結(jié)尾激波串頭波，且頭波呈“X”形，其上、下半支基本對(duì)稱分布。由于內(nèi)通道下壁面邊界層較厚，其抵抗逆壓力梯度的能力較差，當(dāng)背景激波b入射在擴(kuò)張段下壁面時(shí)會(huì)形成具有較大初始逆壓力梯度的干擾區(qū)。在TR逐漸增至36.7%的過程中激波串頭波下半支接觸到了背景激波b在擴(kuò)張段下壁面造成的干擾區(qū)，隨后下壁面分離將快速向上游增長(zhǎng)。而頭波上半支受到了膨脹波d的影響，其邊界層分離發(fā)展受限。因此該堵塞度下激波串核心區(qū)向上壁面偏轉(zhuǎn)。隨著TR繼續(xù)增加，激波串頭波上半支接觸到背景激波a入射在上壁面造成的激波/邊界層干擾區(qū)，上壁面邊界層分離快速增長(zhǎng)。在此過程中激波串的非對(duì)稱性減弱。當(dāng)TR達(dá)41.7%時(shí)結(jié)尾激波串頭波運(yùn)動(dòng)到喉道附近，激波串頭波形態(tài)基本呈對(duì)稱分布。進(jìn)一步增加TR，結(jié)尾激波串不能穩(wěn)定存在于內(nèi)收縮段中，其迅速向上游運(yùn)動(dòng)。當(dāng)TR達(dá)42.4%時(shí)結(jié)尾激波串頭波造成的初始分離位置剛好位于側(cè)板前緣處，內(nèi)通道完全被結(jié)尾激波造成的低能流占據(jù)，此時(shí)進(jìn)氣道開始陷入不起動(dòng)狀態(tài)。當(dāng)TR為45.0%時(shí)進(jìn)氣道處于不起動(dòng)狀態(tài)，此時(shí)外壓縮面上出現(xiàn)了大尺寸邊界層分離，其誘導(dǎo)的分離激波導(dǎo)致口部的唇罩側(cè)出現(xiàn)了溢流。

圖8 進(jìn)氣道節(jié)流過程中的試驗(yàn)紋影Fig.8 Schlieren images of inlet during throttling processes

對(duì)于非設(shè)計(jì)流態(tài)下的節(jié)流過程，下游節(jié)流造成的擾動(dòng)同樣以結(jié)尾激波串的形式向上游傳播，且一旦結(jié)尾激波串越過喉道，其將迅速向上游運(yùn)動(dòng)至進(jìn)氣道陷入不起動(dòng)狀態(tài)。需要注意的是在節(jié)流過程中設(shè)計(jì)和非設(shè)計(jì)流態(tài)下結(jié)尾激波串的分布形態(tài)存在區(qū)別。具體地對(duì)比兩類流態(tài)的進(jìn)氣道在節(jié)流過程中TR為36.7%的流場(chǎng)，可看出設(shè)計(jì)流態(tài)下節(jié)流過程中的結(jié)尾激波串頭波下半支明顯前伸，然而非設(shè)計(jì)流態(tài)下節(jié)流過程中的結(jié)尾激波串頭波上、下半支基本呈對(duì)稱分布。這是因?yàn)榉窃O(shè)計(jì)流態(tài)下的進(jìn)氣道喉道馬赫數(shù)較低，一方面使喉道下游擴(kuò)張段中的反射激波/邊界層干擾強(qiáng)度減弱，另一方面也使結(jié)尾激波串上游馬赫數(shù)降低，從而減小了結(jié)尾激波串的強(qiáng)度。

基于上述認(rèn)識(shí)，可從流動(dòng)損失的角度進(jìn)一步分析在設(shè)計(jì)和非設(shè)計(jì)流態(tài)下進(jìn)氣道整體節(jié)流性能相當(dāng)?shù)臋C(jī)理。由于兩類進(jìn)氣道在臨界狀態(tài)下結(jié)尾激波串頭波均位于喉道附近，因此取該狀態(tài)進(jìn)行分析。此時(shí)整個(gè)進(jìn)氣道的流動(dòng)損失由喉道上游波系結(jié)構(gòu)和喉道下游結(jié)尾激波串共同造成。首先由于非設(shè)計(jì)流態(tài)下內(nèi)收縮段中存在復(fù)雜波系結(jié)構(gòu)，因此其喉道上游波系結(jié)構(gòu)造成的流動(dòng)損失大于設(shè)計(jì)值。其次由于非設(shè)計(jì)流態(tài)下的通流流場(chǎng)喉道馬赫數(shù)小于設(shè)計(jì)值，使喉道下游結(jié)尾激波串造成的流動(dòng)損失小于設(shè)計(jì)值。因此在喉道上、下游波系結(jié)構(gòu)造成的流動(dòng)損失的共同影響下設(shè)計(jì)和非設(shè)計(jì)流態(tài)下整個(gè)進(jìn)氣道的流動(dòng)損失相近，進(jìn)而導(dǎo)致兩類進(jìn)氣道的整體節(jié)流性能相當(dāng)。

此外由于激波串具備非定常特性［29-32］，因此進(jìn)一步對(duì)設(shè)計(jì)和非設(shè)計(jì)流態(tài)下進(jìn)氣道在節(jié)流過程中的結(jié)尾激波串振蕩特性進(jìn)行分析。以進(jìn)氣道喉道下游的C7測(cè)點(diǎn)為例，對(duì)其動(dòng)態(tài)壓力信號(hào)開展頻域分析（如圖9所示）?？煽闯鰧?duì)于設(shè)計(jì)流態(tài)下的節(jié)流過程，在TR為32.4%～41.7%的范圍區(qū)間內(nèi)C7測(cè)點(diǎn)能感受到結(jié)尾激波串的振蕩。其中當(dāng)TR在38.3%附近時(shí)脈動(dòng)能量最強(qiáng)，此時(shí)振蕩呈現(xiàn)出寬頻特征，其頻率主要分布在600 Hz以下。對(duì)于非設(shè)計(jì)流態(tài)下的節(jié)流過程，C7測(cè)點(diǎn)僅能在TR為32.4%～34.9%時(shí)感受到結(jié)尾激波串的振蕩。此時(shí)振蕩同樣呈現(xiàn)出寬頻特征，但其頻率主要分布在400 Hz以下。也就是說在節(jié)流過程中設(shè)計(jì)和非設(shè)計(jì)流態(tài)下進(jìn)氣道結(jié)尾激波串的振蕩均具備寬頻特征，但后者的激波串的振蕩堵塞度范圍區(qū)間和頻率分布范圍區(qū)間均更窄。造成該現(xiàn)象的原因在于相比于設(shè)計(jì)流態(tài)，非設(shè)計(jì)流態(tài)下進(jìn)氣道通流喉道馬赫數(shù)更低，致使喉道下游激波/邊界層干擾強(qiáng)度減弱、結(jié)尾激波串強(qiáng)度降低，進(jìn)而導(dǎo)致結(jié)尾激波串振蕩強(qiáng)度降低。

圖9 進(jìn)氣道節(jié)流過程中C7壓力測(cè)點(diǎn)的功率譜密度Fig.9 Power spectra density based on pressure signal slices from C7 of inlet during throttling processes

6 結(jié)論

1） 試驗(yàn)結(jié)果表明在超聲速可調(diào)進(jìn)氣道的喉道正、反向調(diào)節(jié)過程中出現(xiàn)了設(shè)計(jì)和非設(shè)計(jì)流態(tài)的起動(dòng)雙解通流流場(chǎng)。其中設(shè)計(jì)流態(tài)下進(jìn)氣道內(nèi)流結(jié)構(gòu)正常建立，內(nèi)通道無明顯邊界層分離。但非設(shè)計(jì)流態(tài)下進(jìn)氣道內(nèi)收縮段中存在分離誘導(dǎo)的復(fù)雜波系，并形成了局部馬赫桿結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致其整體壓升相較于設(shè)計(jì)流態(tài)更高、喉道馬赫數(shù)更低，且存在100 Hz以下的寬頻、低頻小幅振蕩。

2） 雖非設(shè)計(jì)流態(tài)下喉道上游的復(fù)雜波系結(jié)構(gòu)造成了額外的總壓損失，但其整體節(jié)流性能與設(shè)計(jì)流態(tài)相當(dāng)。設(shè)計(jì)和非設(shè)計(jì)流態(tài)的臨界堵塞度分別為42.4%和41.7%，臨界壓比分別為15.8和16.0。

3） 在設(shè)計(jì)和非設(shè)計(jì)流態(tài)下進(jìn)氣道的下游節(jié)流過程中擾動(dòng)均以結(jié)尾斜激波串的形式向上游傳播，且當(dāng)其頭波位于喉道附近時(shí)進(jìn)氣道處于臨界狀態(tài)。此外設(shè)計(jì)流態(tài)下的結(jié)尾激波串出現(xiàn)了非對(duì)稱的分布特征，但非設(shè)計(jì)流態(tài)下的結(jié)尾激波串基本呈對(duì)稱分布。在振蕩特性方面，設(shè)計(jì)和非設(shè)計(jì)流態(tài)下進(jìn)氣道結(jié)尾激波串的振蕩均具備寬頻特征，但后者的振蕩堵塞度范圍區(qū)間和頻率分布范圍區(qū)間均更窄。