激波/邊界層相互作用誘導的激波風洞氣體污染問題

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1、維普資訊http://www.cqvip.com第40卷第3期力學學報Vo1.40.No.32008年5月ChineseJournalofTheoreticalandAppliedMechanicsMay,2008激波/邊界層相互作用誘導的激波風洞氣體污染問題李進平。)馮珩姜宗林(中國科學院力學研究所高溫氣體動力學重點實驗室,北京100190)摘要應用多組分NS方程和頻散可控耗散格式(DCD)計算了爆轟驅(qū)動激波風洞中反射激波/邊界層/接觸面的相互作用過程,分析了驅(qū)動氣體與試驗氣體在壁面射流作用下的摻混

2、機制及其對風洞試驗時間的影響.為了延長風洞的試驗時間,提出在風洞貯室內(nèi)增設環(huán)形隔板,以隔離壁面射流,延長風洞試驗時間的方法.計算結(jié)果表明:環(huán)形隔板確實可以限制驅(qū)動氣體與試驗氣體的過早摻混,顯著增加激波風洞的有效試驗時間.關鍵詞激波風洞,反射激波/邊界層相互作用,試驗氣體污染中圖分類號:0354.5文獻標識碼:A文章編號:0459—1879(2008)03—0289—08引言于其運行總壓較高,采用抽吸邊界層技術(shù)會給風洞的安全運行帶來隱患.本文應用多組分NS方程和反射型激波風洞的試驗時間主要取決于貯室試頻

3、散可控耗散格式(DCD)研究了爆轟驅(qū)動激波風洞驗氣體狀態(tài)維持恒定的時間.如果忽略各種波系對中反射激波/邊界層相互作用過程和驅(qū)動氣體與試貯室氣體狀態(tài)的影響,激波風洞的理論試驗時間應驗氣體在壁面射流作用下的摻混機理.根據(jù)研究結(jié)為試驗氣體通過喉道全部流盡所需的時間.但由于果,提出了在風洞貯室內(nèi)應用環(huán)形隔板來限制驅(qū)動諸多其它因素的影響,激波風洞的實際試驗時間遠氣體的運動避免試驗氣體過早污染的方法.數(shù)值計比理論值短得多,其中反射激波/邊界層/接觸面算驗證了新方法的可行性.的相互作用導致試驗氣體污染是一個重要因素

4、.當入射激波在激波管末端發(fā)生反射后,反射激1物理問題波將與邊界層相互作用.由于反射激波后的氣流壓本文以氫氧爆轟驅(qū)動高焓激波風洞為研究背力大于邊界層內(nèi)氣流的滯止壓力,會產(chǎn)生壁面射流,景,風洞的結(jié)構(gòu)如圖1所示.激波風洞的被驅(qū)動段導致反射激波后的邊界層分離,形成具有分叉結(jié)構(gòu)長L1=2000mm,直徑為D=50mm,噴管喉道直的反射激波.當壁面射流與接觸面相互作用時,會導徑為Dth?=9mm.風洞的驅(qū)動氣體為氫氧爆轟致試驗氣體與驅(qū)動氣體摻混,使驅(qū)動氣體過早地進后的產(chǎn)物,試驗氣體為空氣.在本文的計算中,重點入噴

5、管,改變了試驗氣體的組分,縮短激波風洞的有在于考察反射激波/邊界層/接觸面之間的相互作效試驗時間.關于反射激波分叉現(xiàn)象的理論模型首先由Mark[J提出,Davies和Wilson[2J將其推廣,用過程,因而不考慮激波風洞中各種波系對貯室氣并應用到風洞試驗氣體污染問題的研究.Wilson[3J體狀態(tài)的影響,也不考慮破膜時入射激波的發(fā)展過和Chue等1J也曾對風洞試驗氣體污染的問題進行程,即假設膜片瞬時破裂.數(shù)值模擬對爆轟所涉及了數(shù)值計算.理論預測和數(shù)值計算都表明試驗氣體與驅(qū)動氣體摻混引起的激波風洞試驗時

6、間縮短的問題是嚴重的.為了延長風洞的有效試驗時間,最直接的方法是應用抽吸邊界層技術(shù).Burtschell等-5J曾對此有圖1爆轟驅(qū)動激波風洞示意圖過詳細的論述.但對于爆轟驅(qū)動高焓激波風洞,由Fig.1Schematicofthedetonation—drivenshocktunnel2007—03-06收到第1稿,200801—28收到修改稿1)國家自然科學基金資助項目(90605006,10621202).2)E-mail:jinping.1i@tom.com維普資訊http://www.cqvip

7、.com290力學學報2008年第40卷的化學反應采用有限速率基元化學反應模型來描=(+詈·)述..=+(=OU+OV+2數(shù)值計算方法OT2.1控制方程+EphiD差數(shù)值模擬應用的二維多組分軸對稱的NS方程nsOT%:+。為+簣++=+OGv++(1)化學反應源項為其中Sh。=[0,0,0,0,01,2,?,]U=[P,pu,pv,JDE,JD.^,JD,2,·一,JD厶]T其中為第i種組分的單位體積質(zhì)量生成率.F=[pu,pu。+P,puv,(pE+p)u,pufl,2.2基元化學反應模型puf2,

8、?,JDu,n】T對于爆轟驅(qū)動激波風洞貯室內(nèi)所涉及的化學反應,本文采用l1種組分23個基元反應模型來描述,G=【pv,puv+P,pv。+P,(pE+p)v,相關的組分為H2,H,02,OH,HO2,H202,H2O,N,pvfl,pvf2,?,pv厶]TN2,NO.由質(zhì)量作用定律可得S:[pv,pvu,pv2,(E+p),fx,f2,?厶]T=壇∑(一∑(ci)l·k=l。1式中^(i=1,2,?,n8)為組分i的質(zhì)量分數(shù).E為混合氣體的總能f,II(

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