壓力不匹配混合層中激波與流場結構的實驗研究*

張冬冬,譚建國,呂 良

(國防科學技術大學高超聲速沖壓發動機技術重點實驗室,長沙 410073)

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壓力不匹配混合層中激波與流場結構的實驗研究*

張冬冬,譚建國,呂 良

(國防科學技術大學高超聲速沖壓發動機技術重點實驗室,長沙 410073)

為了研究壓力不匹配混合層的流動結構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(NPLS)和偽彩色處理方法獲得了流場中Kelvin-Helmholtz渦、激波、湍流邊界層以及邊界層分離泡等流動精細結構。研究結果表明:壓力不匹配導致混合層的轉捩位置提前,大尺度渦的結構更加破碎,混合層向壓力低的一側發展。激波的作用使得邊界層在激波入射點之后增厚,湍流脈動的加劇導致了激波入射點發生前后的偏移。

超聲速流動;混合層;壓力不匹配;激波;渦系結構;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[1],深入研究其流動機理具有重要的工程價值和理論意義[2-3]。超聲速混合層具有十分復雜的流場結構,上下兩層來流在壓力匹配條件下,其流動特性主要表現為大尺度擬序渦結構的演化;而來流壓力不匹配時,流場中會出現激波、大尺度渦、湍流邊界層等流動結構,并且會發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現象。這些復雜流動結構和現象的出現使得壓力不匹配混合層具有異常復雜的流動特性。

Settles等人[4]采用斜劈產生激波的方式研究了激波與混合層的相互作用,然而由于實驗條件的限制,其僅僅得到了馬赫數的變化對湍流強度的影響。Dussauge[5]等人總結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構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?；仡欉^去70多年關于超聲速流場中激波與湍流結構相互作用的研究可以發現,超聲速流動的非線性和非定常特性使得流場結構異常復雜,再加上實驗設備的限制,獲得的流場結構圖像的時空分辨率還有待進一步提高。

本次研究在超聲速混合層風洞中進行,采用NPLS技術獲得了激波與超聲速湍流結構相互作用的流場圖像,研究了激波對超聲速混合層發展的影響。同時,采用偽彩色圖像處理的方法獲得了流場結構的偽彩色圖像,清晰地展示了激波與邊界層相互作用的瞬態流場結構,探索研究了激波與湍流結構相互作用的機理。

1 試驗設備

1.1 超聲速混合層風洞

實驗在超聲速混合層風洞中進行,如圖1所示。該風洞的來流湍流度低，并且氣動噪聲小，對于精細流場結構的實驗研究十分有利。通過在穩定段中間放置一塊隔板的方式將來流分為上下兩層,隔板后端與雙噴管相連。實驗時,通過調節上層穩定段前端的總壓調節器來控制噴管出口聽靜壓匹配情況。當噴管出口靜壓一致時,上下兩層來流在實驗段壓力匹配;噴管出口靜壓不等時,則流動在實驗段內是壓力不匹配的流動。通過校測,得到上下兩層的來流馬赫數分別為2.12和3.18。

圖1 超聲速混合層風洞示意圖

1.2 NPLS系統

NPLS系統由趙玉新等人[6-7]開發完成,其以平面激光散射技術為基礎,以納米粒子為示蹤粒子,其示意圖見圖2。其中,計算機控制NPLS系統的運行并且實時地存儲實驗圖像。同步控制器用來控制系統各個部件協同工作;CCD相機分辨率為4 000像素×2 096像素;脈沖激光片光采用波長為532 nm,脈沖時間為6 ns的雙腔Nd:YAG激光器,脈沖能量達500 mJ,時間分辨率為200 ns。采用納米級的TiO2作為示蹤粒子,其在超聲速流場中有較好的跟隨性,能夠很好的捕捉到流場中擬序渦、激波、湍流邊界層等流動精細結構。在獲得的流場圖像中,灰度高的部分對應于高馬赫數的流場,灰度低的部分對應于低馬赫數的流場。

圖2 NPLS系統示意圖

2 實驗結果分析

2.1 激波對混合層發展的影響

在超聲速混合層流場結構中,當上下兩層來流在噴管出口處壓力不匹配時,將會導致各種波系結構的出現,最典型的就是噴管后緣附近出現斜向下的斜激波并使分隔板下的邊界層分離。流場中激波的出現會對超聲速混合層的轉捩位置、擬序渦結構、混合層的增長速度等產生重要的影響。

圖3和圖4是壓力不匹配情況下超聲速混合層的流向NPLS流場圖像,每幅圖像的中間部分為混合區域,下面部分為壁面邊界層區域。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、曝光時間均相同。圖中(a)和(b)兩幅圖的時間間隔均為10 μs。

圖3 壓力差為2 400 Pa時流場NPLS圖像

圖4 壓力差為8 200 Pa時流場NPLS圖像

由于混合層中具有的Kelvin-Helmholtz不穩定性作用,流動在向下游發展的過程中形成具有擬序結構的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流的邊界層,導致下邊界層增厚。增厚的邊界層相當于下層流動中的障礙物,因此產生了向下的斜激波。上下兩層流動在噴管后緣相遇后轉捩位置大大提前,在壓力差為8 200 Pa時,根本就看不到層流區域,來流相遇后就形成了湍流結構。同時,由于上層來流具有較高的壓力,使得混合層結構整體向下方低壓一側偏移,在圖4中壓力差為8 200 Pa時尤其明顯。壓力差的提高明顯的抑制了混合層的增長速度。通過線性擬合可知,壓力差為2 400 Pa時超聲速混合層的厚度以9.6°的角度增長,而壓力差為8 200 Pa時,增長速度的角度減小為6.8°。這說明,雖然壓力不匹配程度越高,混合層的轉捩位置越靠前,但是這并沒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展。

此外,在10 μs的時間間隔內,圖3和圖4實線圓框中的渦結構A和B分別向下游運動了5.64 mm和5.72 mm,同時擬序結構幾乎沒有什么變形。這說明,一方面超聲速混合層中流動結構具有運動快、變形慢的特點;另一方面,來流壓差的變化并沒有顯著改變流動結構向下游演化的速度。

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,氣流經過激波后,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壁面邊界層內的亞聲速區向上游傳播，形成強烈的逆壓梯度。強烈的逆壓梯度會造成邊界層的分離，形成分離泡結構，進而導致壁面邊界層增厚，在壁面處形成一個凹角，凹角的出現使來流主流產生一系列弱激波，最終在離壁面一定距離處集中發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結構,采用偽彩色處理的方法[8-9]得到了壓力差為2 400 Pa時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。增厚的邊界層相當于流場中的障礙物,導致了弓形誘導激波的產生。

此外,在10 μs的時間間隔內,流場中渦結構C和D分別向下游運動了5.76 mm和5.70 mm。而比較C和D的形變可以發現,相比于渦結構C,從D到D′,渦結構發生了更大的變形。這表明激波的作用增強了流場的非線性和非定常特性,使得流場中結構的脈動加劇。同時,在10 μs的時間間隔內,斜激波入射點的位置僅僅向下游移動了2.26 mm,運動的速度遠遠小于流動向下游發展演化的速度,這說明由于湍流邊界層強烈的脈動特征,斜激波的入射位置會發生前后的偏移。

圖6 斜激波與邊界層相互作用的偽彩色圖像

3 結論

通過研究,得出以下結論:

1)壓力不匹配混合層對流場結構和混合層的發展演化有重要影響。壓力不匹配導致混合層的轉捩位置提前,大尺度渦的結構更加破碎,混合層結構整體向壓力低的一側發展。

2)超聲速混合層中,壓力不匹配程度越高,混合層的轉捩位置越靠前,但是這并沒有明顯增強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。

3)入射斜激波與壁面邊界層的相互作用導致極為復雜的流場結構,增強了流場的非線性和非定常特性,使得流場中結構的脈動加劇。

4)激波與湍流邊界層的作用使得邊界層在激波入射點之后增厚,產生橢圓形分離區。此外,隨著湍流脈動的加劇,激波入射點會發生前后的偏移。

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[4] SETTLES G S, WILLIAMS D R, BACA B K, et al. Reattachment of a compressible turbulent free shear layer [J]. AIAA Journal, 1982, 20(1): 60-67.

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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

國家自然科學基金(11272351;91441121)；湖南省研究生科研創新項目(CX2016B001)資助

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

V211.7

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