振動(dòng)激發(fā)對(duì)激波反射的影響

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1、航空學(xué)報(bào)ActaAeronauticaetAstrOnauticaSinicaAug．252017Vol38No．8SSN1000-6893ON11．1929／Vhttp：／／hkxb．buaa．edu．cnhkxb@buaa．edu．crl振動(dòng)激發(fā)對(duì)激波反射的影響彭俊1’2，張子健h2，周凱1’2，胡宗民1’2一，姜宗林1’21．中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所高溫氣體動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京i001902．中國(guó)科學(xué)院大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院，北京100049摘要：定常激波反射分為規(guī)則反射和馬赫反射，在不同條件下2種反射結(jié)構(gòu)之間會(huì)相互轉(zhuǎn)變。高超聲速流

2、動(dòng)中的激波反射問題常面lI缶高溫氣體效應(yīng)，隨著溫度逐漸升高，最先出現(xiàn)的足空氣分子振動(dòng)激發(fā)。通過理論分析和定量計(jì)算，研究了振動(dòng)激發(fā)對(duì)激波反射及其轉(zhuǎn)變規(guī)律的影響。首先給出考慮振動(dòng)激發(fā)的空氣熱力學(xué)模型，并分析其與量熱完全氣體的差異以及對(duì)激波關(guān)系的影響；接著分析在規(guī)則反射和馬赫反射中，振動(dòng)激發(fā)對(duì)激波反射流場(chǎng)的影響規(guī)律；最后討論振動(dòng)激發(fā)對(duì)激波反射轉(zhuǎn)變2個(gè)準(zhǔn)則點(diǎn)的影響。研究結(jié)果表明，振動(dòng)激發(fā)使激波極線的整體輪廓變大，且這種差異在經(jīng)過一次激波反射之后被明顯放大，會(huì)對(duì)激波反射的流場(chǎng)產(chǎn)生重大影響；對(duì)于激波反射的轉(zhuǎn)變，振動(dòng)激發(fā)使轉(zhuǎn)變的2個(gè)準(zhǔn)則點(diǎn)都變大，且

3、對(duì)規(guī)則反射向馬赫反射轉(zhuǎn)變的脫體準(zhǔn)則影響更大。關(guān)鍵詞：激波反射；振動(dòng)激發(fā)；馬赫反射；轉(zhuǎn)變準(zhǔn)則；高超聲速流動(dòng)中圖分類號(hào)：V211．22文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：10006893(2017)08—121055—11激波廣泛存在于自然界和人類科技活動(dòng)中，是氣體動(dòng)力學(xué)最具特色的基本物理現(xiàn)象之一，是能夠在流動(dòng)內(nèi)部誘導(dǎo)旋渦的重要物理過程，表現(xiàn)出強(qiáng)間斷與非線性的氣動(dòng)物理特征。在激波傳播過程中，當(dāng)傳播條件發(fā)生改變時(shí)，包括壁面出現(xiàn)、流動(dòng)介質(zhì)屬性改變、其他流場(chǎng)結(jié)構(gòu)存在等，激波會(huì)與其產(chǎn)生相互作用而發(fā)生反射，形成激波反射流場(chǎng)結(jié)構(gòu)。在不同條件下，會(huì)形成各種具有不同

4、特征的激波反射結(jié)構(gòu)，包括規(guī)則反射、馬赫反射等，出現(xiàn)反射激波、馬赫桿、滑移線、三波點(diǎn)等典型流場(chǎng)結(jié)構(gòu)[1]。在某些條件下，甚至?xí)纬呻p馬赫反射、弱激波反射以及一些過渡或反轉(zhuǎn)激波反射結(jié)構(gòu)，出現(xiàn)雙馬赫桿、前向射流[2。3]、多超聲速區(qū)[4。5]、拐點(diǎn)。1“1等特殊流場(chǎng)結(jié)構(gòu)。當(dāng)產(chǎn)生激波反射的條件發(fā)生變化時(shí)，各種不同反射結(jié)構(gòu)之間會(huì)發(fā)生相互轉(zhuǎn)變，存在各種轉(zhuǎn)變準(zhǔn)則[1’7。?。自vonNeu—mann[9。1虻于20世紀(jì)40年代對(duì)激波反射現(xiàn)象進(jìn)行深入研究開始，經(jīng)過70多年的努力，人們提出了各種分析理論、試驗(yàn)技術(shù)和計(jì)算方法，發(fā)現(xiàn)了各種激波反射結(jié)構(gòu)，得到

5、了各種波系結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的不同物理機(jī)制，對(duì)激波反射現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)越來越深入并日臻完善。激波反射問題得到廣泛深入的研究，除了由于其本身具有的重要流動(dòng)物理意義之外，更重要的是由于其具有很強(qiáng)的工程應(yīng)用背景，且在不同應(yīng)用背景之下，激波反射現(xiàn)象具有不同的利弊。在超／高超聲速飛行器機(jī)身外表面、翼面以及進(jìn)氣道內(nèi)，激波在壁面上的反射，會(huì)與壁面附近的邊界層發(fā)生相互作用，在激波反射點(diǎn)附近區(qū)域，流動(dòng)現(xiàn)象很復(fù)雜，可能會(huì)發(fā)生流動(dòng)分離、激波非定常運(yùn)動(dòng)、旋渦運(yùn)動(dòng)、壓力波動(dòng)、混合和湍流等問題[11。”]。一旦出現(xiàn)流動(dòng)分離，產(chǎn)生了分離泡，激收稿日期：2016—12—15；退修日

6、期：2017-01—04；錄用日期：2017—02-24；網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2017—03．2317：50網(wǎng)絡(luò)出版地址：WWWcnkinet／kcms／detaif／111929V．201703231750008html基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金(11672308，1{532014)*通訊作者E—mail：huzm@imech．a(chǎn)ccn引用格式：彭俊，張子?。苡J．等振動(dòng)激發(fā)對(duì)激渡反射的影響!J]航空學(xué)報(bào)，2017．38(8)：121055PENGJ，ZHANGZJ．ZHOUK．efalEffectsofvibrationexcitati

7、onORshockreflectionsEJJActaAeronauticaetAstronauticaSinica，2017，38(8)二121055121055．1航空學(xué)報(bào)波波系會(huì)發(fā)生變化，進(jìn)而引起壓力載荷的變化，在流動(dòng)再附點(diǎn)還會(huì)引起熱流的增加。在超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道和隔離段中，超聲速氣流進(jìn)入進(jìn)氣道后形成的定常激波在上下壁面間不斷反射，形成一系列激波串，完成來流壓縮過程[1314I。在發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴管的超聲速射流中，斜激波在對(duì)稱軸反射形成馬赫盤以及一系列激波／膨脹波相關(guān)的多級(jí)反射的菱形結(jié)構(gòu)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能產(chǎn)生重要影響[13。1?。在預(yù)混

8、可燃?xì)怏w中的激波反射能形成局部高溫高壓區(qū)，可實(shí)現(xiàn)爆轟直接點(diǎn)火或爆燃向爆轟轉(zhuǎn)變，是爆轟現(xiàn)象研究和爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)研制的關(guān)鍵技術(shù)[16。1?。工程上利用與控制激波反射，非常依賴于能否清晰地認(rèn)識(shí)各種反射結(jié)構(gòu)的特征及其產(chǎn)生機(jī)理，以及在