本文關(guān)鍵詞：超聲速壓縮拐角流動(dòng)機(jī)理及其流動(dòng)分離控制的試驗(yàn)研究

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【摘要】：壓縮拐角作為一種典型的氣動(dòng)外形,廣泛存在于超聲速飛行器的進(jìn)氣道、控制面等結(jié)構(gòu)中,由壓縮拐角引起的激波與邊界層相互作用會(huì)對(duì)飛行器的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性和安全性產(chǎn)生重要影響。對(duì)超聲速壓縮拐角流動(dòng)的研究不僅是復(fù)雜湍流機(jī)理研究的重要內(nèi)容,而且在飛行器氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化等工程領(lǐng)域也具有十分重要的意義。超聲速壓縮拐角流動(dòng)具有明顯非定常性和三維特性,這對(duì)試驗(yàn)研究提出了一定的挑戰(zhàn)。本文采用試驗(yàn)研究的方法,在Ma=3.0的條件下從流動(dòng)顯示、結(jié)構(gòu)特征定量分析和速度場(chǎng)結(jié)構(gòu)以及流動(dòng)分離控制等方面分別對(duì)上游邊界層為層流、轉(zhuǎn)捩流和湍流的超聲速壓縮拐角流動(dòng)進(jìn)行了深入研究。本文首先介紹了用于超聲速壓縮拐角流動(dòng)試驗(yàn)研究的風(fēng)洞和基于納米示蹤的平面激光散射技術(shù)(Nano-tracer Planar Laser Scattering)以及粒子圖像速度場(chǎng)技術(shù)(Particle Image Velocimetry),對(duì)NPLS和PIV測(cè)試系統(tǒng)的工作原理進(jìn)行了詳細(xì)闡述,并分析了納米示蹤粒子的跟隨性和測(cè)試系統(tǒng)的分辨率以及誤差。本文采用NPLS技術(shù)分別對(duì)超聲速層流、轉(zhuǎn)捩流和湍流壓縮拐角在不同坡面角度下的流動(dòng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究,獲得了壓縮拐角的精細(xì)流動(dòng)結(jié)構(gòu)圖像,研究了時(shí)間平均的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)特征和流動(dòng)結(jié)構(gòu)隨時(shí)間的演化特性。當(dāng)坡面角度為23°時(shí),三種壓縮拐角流動(dòng)均沒(méi)有出現(xiàn)流動(dòng)分離現(xiàn)象。當(dāng)坡面角度為25°時(shí),層流壓縮拐角出現(xiàn)了典型的流動(dòng)分離,邊界層的快速增長(zhǎng)引起了一道誘導(dǎo)激波,流場(chǎng)中出現(xiàn)了發(fā)卡渦、壓縮波和分離激波、再附激波等結(jié)構(gòu);轉(zhuǎn)捩流壓縮拐角出現(xiàn)了一定程度的流動(dòng)分離,但分離區(qū)的長(zhǎng)度明顯較小,流場(chǎng)中沒(méi)有出現(xiàn)邊界層增長(zhǎng)引起的誘導(dǎo)激波;湍流壓縮拐角的邊界層在整個(gè)流動(dòng)過(guò)程中均表現(xiàn)為附著狀態(tài),并未出現(xiàn)流動(dòng)分離。當(dāng)坡面角度為28°時(shí),層流壓縮拐角邊界層分離加劇,分離區(qū)的長(zhǎng)度明顯增加,流動(dòng)分離區(qū)域的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜;轉(zhuǎn)捩流壓縮拐角出現(xiàn)了典型的流動(dòng)分離,分離區(qū)的長(zhǎng)度有所增加,分離區(qū)的末端一系列壓縮波匯聚形成再附激波;湍流壓縮拐角也出現(xiàn)了流動(dòng)分離,但分離區(qū)的長(zhǎng)度較短,流動(dòng)分離區(qū)域的結(jié)構(gòu)也相對(duì)簡(jiǎn)單�；诟叻直媛实腘PLS圖像,本文對(duì)超聲速壓縮拐角流動(dòng)的結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行了定量的分析,研究了邊界層的間歇特性,計(jì)算了邊界層擬序結(jié)構(gòu)的大小和結(jié)構(gòu)傾角以及邊界層分形維數(shù)。本文對(duì)層流和轉(zhuǎn)捩流壓縮拐角上游邊界層間歇因子的計(jì)算結(jié)果與Klebanoff對(duì)不可壓邊界層間歇因子的測(cè)量結(jié)果一致。在流動(dòng)分離區(qū)域,受到逆壓梯度的影響,其邊界層間歇因子的分布與上游區(qū)域存在明顯區(qū)別。通過(guò)空間相關(guān)性分析得到的邊界層擬序結(jié)構(gòu)均沿壁面法向逐漸減小,其中,轉(zhuǎn)捩流壓縮拐角的邊界層擬序結(jié)構(gòu)沿流向逐漸增大,湍流壓縮拐角的邊界層擬序結(jié)構(gòu)沿流向先逐漸減小后逐漸增大。層流、轉(zhuǎn)捩流和湍流壓縮拐角的邊界層擬序結(jié)構(gòu)傾角均沿壁面法向逐漸增大。在層流壓縮拐角中,邊界層在不同發(fā)展階段的分形維數(shù)存在明顯差異,而在轉(zhuǎn)捩流和湍流壓縮拐角中,邊界層分形維數(shù)沿流動(dòng)方向的變化較小,并且基本不受坡面角度變化的影響。采用PIV技術(shù)分別測(cè)量了超聲速層流、轉(zhuǎn)捩流和湍流壓縮拐角的速度場(chǎng)結(jié)構(gòu)。當(dāng)坡面角度為25°時(shí),層流壓縮拐角分離區(qū)中出現(xiàn)了明顯的回流運(yùn)動(dòng),剪切層結(jié)構(gòu)逐步成型并穩(wěn)定增長(zhǎng),x方向的速度分布表現(xiàn)為分層結(jié)構(gòu),y方向的速度分布體現(xiàn)了激波和流道壓縮對(duì)流動(dòng)的影響,分離區(qū)長(zhǎng)度為L(zhǎng)_(sep-lam1)=62.6mm;轉(zhuǎn)捩流壓縮拐角分離區(qū)中的回流運(yùn)動(dòng)范圍較小,其剪切層較薄,x方向的速度分布表現(xiàn)為分層結(jié)構(gòu),y方向的速度分布呈現(xiàn)傾斜“V”形區(qū)域,分離區(qū)長(zhǎng)度為L(zhǎng)_(sep-tran1)=24.5mm;湍流壓縮拐角的流場(chǎng)中沒(méi)有出現(xiàn)分離,其剪切層較厚,存在劇烈的速度剪切。當(dāng)坡面角度為28°時(shí),層流壓縮拐角分離區(qū)中的回流運(yùn)動(dòng)范圍擴(kuò)大,回流區(qū)內(nèi)存在較大的速度梯度,y方向速度分布的傾斜“V”形區(qū)域范圍有所擴(kuò)大并向上游移動(dòng),分離區(qū)長(zhǎng)度為L(zhǎng)_(sep-lam2)=86.0mm;轉(zhuǎn)捩流壓縮拐角分離區(qū)中的回流運(yùn)動(dòng)更為顯著,剪切層的厚度有所增加,x方向速度的分布延續(xù)了分層的結(jié)構(gòu),y方向速度的分布體現(xiàn)了激波和回流結(jié)構(gòu)對(duì)流動(dòng)的影響,分離區(qū)長(zhǎng)度為L(zhǎng)_(sep-tran2)=65.4mm;湍流壓縮拐角流場(chǎng)中出現(xiàn)了邊界層分離,但近壁區(qū)域回流運(yùn)動(dòng)的范圍較小,x方向速度的分布表現(xiàn)為分層結(jié)構(gòu),y方向速度的分布體現(xiàn)了分離激波和流道壓縮的影響,分離區(qū)長(zhǎng)度為L(zhǎng)_(sep-tur)=31.1mm�；赑IV測(cè)量的結(jié)果,本文對(duì)壓縮拐角的速度場(chǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了POD(Proper Orthogonal Decomposition)分解,分析了速度場(chǎng)結(jié)構(gòu)的主次特征。最后,采用微型渦流發(fā)生器分別對(duì)超聲速層流和湍流壓縮拐角的流動(dòng)分離進(jìn)行了控制研究,運(yùn)用NPLS和PIV技術(shù)獲得了在渦流發(fā)生器控制作用下的流動(dòng)結(jié)構(gòu)和速度場(chǎng)結(jié)構(gòu)。試驗(yàn)結(jié)果表明:在上游邊界層邊界層狀態(tài)分別為層流和湍流的條件下,渦流發(fā)生器的尾流結(jié)構(gòu)均可以分為由反向旋渦組成的剪切層結(jié)構(gòu)和具有間歇特性的大尺度擬序結(jié)構(gòu)兩個(gè)區(qū)域。25°層流壓縮拐角分離區(qū)內(nèi)部的低速區(qū)域范圍減小,28°湍流壓縮拐角流場(chǎng)中的分離激波波足向下游移動(dòng),分離區(qū)內(nèi)回流運(yùn)動(dòng)的范圍均明顯減小。通過(guò)對(duì)速度場(chǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行定量分析發(fā)現(xiàn),渦流發(fā)生器的控制作用能有效減小層流和湍流壓縮拐角流場(chǎng)中的分離區(qū)長(zhǎng)度。
【關(guān)鍵詞】：超聲速流動(dòng) 壓縮拐角 邊界層 流動(dòng)分離 擬序結(jié)構(gòu) 完備正交分解 流動(dòng)控制 NPLS PIV
【學(xué)位授予單位】：國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：V211.7
【目錄】：

• 摘要15-17
• ABSTRACT17-20
• 第一章 引言20-37
• 1.1 研究背景及意義20-22
• 1.2 超聲速壓縮拐角流動(dòng)及其控制的研究現(xiàn)狀22-35
• 1.2.1 流動(dòng)顯示22-25
• 1.2.2 速度場(chǎng)結(jié)構(gòu)25-26
• 1.2.3 壓力、熱流和摩阻系數(shù)26-27
• 1.2.4 邊界層分離27-29
• 1.2.5 流動(dòng)非定常性29-32
• 1.2.6 流動(dòng)分離的控制32-35
• 1.3 本文的主要研究?jī)?nèi)容35-37
• 第二章 試驗(yàn)設(shè)備和測(cè)試系統(tǒng)37-47
• 2.1 概述37
• 2.2 馬赫 3.0 超聲速風(fēng)洞37-39
• 2.3 NPLS測(cè)試系統(tǒng)39-44
• 2.3.1 NPLS系統(tǒng)組成和工作原理40-42
• 2.3.2 納米示蹤粒子的跟隨性研究42-44
• 2.4 超聲速PIV測(cè)試系統(tǒng)44-46
• 2.5 小結(jié)46-47
• 第三章 來(lái)流邊界層為層流的超聲速壓縮拐角試驗(yàn)研究47-96
• 3.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ图捌鋮?shù)47-48
• 3.2 超聲速層流壓縮拐角的流動(dòng)結(jié)構(gòu)48-62
• 3.2.1 上游邊界層和壁面壓力分布48-51
• 3.2.2 超聲速層流壓縮拐角流場(chǎng)的空間特征51-59
• 3.2.3 流動(dòng)結(jié)構(gòu)的時(shí)間演化特性59-62
• 3.3 基于流動(dòng)顯示的結(jié)構(gòu)特征定量分析62-77
• 3.3.1 邊界層間歇性的研究63-67
• 3.3.2 擬序結(jié)構(gòu)的空間相關(guān)性分析67-70
• 3.3.3 邊界層分形維數(shù)的研究70-77
• 3.4 超聲速層流壓縮拐角流動(dòng)的速度場(chǎng)結(jié)構(gòu)77-93
• 3.4.1 25°層流壓縮拐角速度場(chǎng)結(jié)構(gòu)77-83
• 3.4.2 28°層流壓縮拐角速度場(chǎng)結(jié)構(gòu)83-89
• 3.4.3 速度場(chǎng)結(jié)構(gòu)的POD分析89-93
• 3.5 小結(jié)93-96
• 第四章 來(lái)流邊界層為轉(zhuǎn)捩流的超聲速壓縮拐角試驗(yàn)研究96-141
• 4.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ图捌鋮?shù)96-97
• 4.2 超聲速轉(zhuǎn)捩流壓縮拐角的流動(dòng)結(jié)構(gòu)97-109
• 4.2.1 上游邊界層97-98
• 4.2.2 超聲速轉(zhuǎn)捩流壓縮拐角流場(chǎng)的空間特征98-105
• 4.2.3 流動(dòng)結(jié)構(gòu)的時(shí)間演化特性105-109
• 4.3 基于流動(dòng)顯示的結(jié)構(gòu)特征定量分析109-123
• 4.3.1 邊界層間歇性的研究109-112
• 4.3.2 擬序結(jié)構(gòu)的空間相關(guān)性分析112-117
• 4.3.3 邊界層分形維數(shù)的研究117-123
• 4.4 超聲速轉(zhuǎn)捩流壓縮拐角流動(dòng)的速度場(chǎng)結(jié)構(gòu)123-138
• 4.4.1 25°轉(zhuǎn)捩流壓縮拐角速度場(chǎng)結(jié)構(gòu)123-129
• 4.4.2 28°轉(zhuǎn)捩流壓縮拐角速度場(chǎng)結(jié)構(gòu)129-134
• 4.4.3 速度場(chǎng)結(jié)構(gòu)的POD分析134-138
• 4.5 小結(jié)138-141
• 第五章 來(lái)流邊界層為湍流的超聲速壓縮拐角試驗(yàn)研究141-180
• 5.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ图捌鋮?shù)141-142
• 5.2 超聲速湍流壓縮拐角的流動(dòng)結(jié)構(gòu)142-152
• 5.2.1 上游邊界層142-143
• 5.2.2 超聲速湍流壓縮拐角流場(chǎng)的空間特征143-150
• 5.2.3 流動(dòng)結(jié)構(gòu)的時(shí)間演化特性150-152
• 5.3 基于流動(dòng)顯示的結(jié)構(gòu)特征定量分析152-163
• 5.3.1 擬序結(jié)構(gòu)的空間相關(guān)性分析153-157
• 5.3.2 邊界層分形維數(shù)的研究157-163
• 5.4 超聲速湍流壓縮拐角流動(dòng)的速度場(chǎng)結(jié)構(gòu)163-178
• 5.4.1 25°湍流壓縮拐角速度場(chǎng)結(jié)構(gòu)163-168
• 5.4.2 28°湍流壓縮拐角速度場(chǎng)結(jié)構(gòu)168-173
• 5.4.3 速度場(chǎng)結(jié)構(gòu)的POD分析173-178
• 5.5 小結(jié)178-180
• 第六章 超聲速壓縮拐角流動(dòng)分離控制的試驗(yàn)研究180-192
• 6.1 微型渦流發(fā)生器180-181
• 6.2 Anderson微三角楔對(duì)超聲速層流壓縮拐角流動(dòng)分離的控制研究181-186
• 6.2.1 Anderson微三角楔控制下的流場(chǎng)空間結(jié)構(gòu)181-183
• 6.2.2 Anderson微三角楔控制下的速度場(chǎng)結(jié)構(gòu)183-186
• 6.3 Anderson微三角楔對(duì)超聲速湍流壓縮拐角流動(dòng)分離的控制研究186-191
• 6.3.1 Anderson微三角楔控制下的流場(chǎng)空間結(jié)構(gòu)186-188
• 6.3.2 Anderson微三角楔控制下的速度場(chǎng)結(jié)構(gòu)188-191
• 6.4 小結(jié)191-192
• 第七章 結(jié)論與展望192-196
• 7.1 本文研究工作總結(jié)192-195
• 7.2 展望195-196
• 致謝196-197
• 參考文獻(xiàn)197-212
• 作者在學(xué)期間取得的學(xué)術(shù)成果212-213

【參考文獻(xiàn)】

中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前1條

1 黃真理;湍流的分形特征[J];力學(xué)進(jìn)展;2000年04期

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本文編號(hào)：782847