压力不匹配混合层中激波与流场结构的实验研究*

张冬冬,谭建国,吕 良

(国防科学技术大学高超声速冲压发动机技术重点实验室,长沙 410073)



压力不匹配混合层中激波与流场结构的实验研究*

张冬冬,谭建国,吕 良

(国防科学技术大学高超声速冲压发动机技术重点实验室,长沙 410073)

为了研究压力不匹配混合层的流动结构以及激波与湍流边界层的相互作用,采用基于纳米粒子的平面激光散射技术(NPLS)和伪彩色处理方法获得了流场中Kelvin-Helmholtz涡、激波、湍流边界层以及边界层分离泡等流动精细结构。研究结果表明:压力不匹配导致混合层的转捩位置提前,大尺度涡的结构更加破碎,混合层向压力低的一侧发展。激波的作用使得边界层在激波入射点之后增厚,湍流脉动的加剧导致了激波入射点发生前后的偏移。

超声速流动;混合层;压力不匹配;激波;涡系结构;湍流边界层

0 引言

超声速混合层作为典型的可压缩剪切流动[1],深入研究其流动机理具有重要的工程价值和理论意义[2-3]。超声速混合层具有十分复杂的流场结构,上下两层来流在压力匹配条件下,其流动特性主要表现为大尺度拟序涡结构的演化;而来流压力不匹配时,流场中会出现激波、大尺度涡、湍流边界层等流动结构,并且会发生激波与混合层相互作用、激波与湍流边界层相互作用等流动现象。这些复杂流动结构和现象的出现使得压力不匹配混合层具有异常复杂的流动特性。

Settles等人[4]采用斜劈产生激波的方式研究了激波与混合层的相互作用,然而由于实验条件的限制,其仅仅得到了马赫数的变化对湍流强度的影响。Dussauge[5]等人总结了斜激波与边界层相互作用的研究成果,指出分离泡的三维结构是造成激波与湍流边界层相互作用非定常特性的重要原因之一。回顾过去70多年关于超声速流场中激波与湍流结构相互作用的研究可以发现,超声速流动的非线性和非定常特性使得流场结构异常复杂,再加上实验设备的限制,获得的流场结构图像的时空分辨率还有待进一步提高。

本次研究在超声速混合层风洞中进行,采用NPLS技术获得了激波与超声速湍流结构相互作用的流场图像,研究了激波对超声速混合层发展的影响。同时,采用伪彩色图像处理的方法获得了流场结构的伪彩色图像,清晰地展示了激波与边界层相互作用的瞬态流场结构,探索研究了激波与湍流结构相互作用的机理。

1 试验设备

1.1 超声速混合层风洞

实验在超声速混合层风洞中进行,如图1所示。该风洞的来流湍流度低，并且气动噪声小，对于精细流场结构的实验研究十分有利。通过在稳定段中间放置一块隔板的方式将来流分为上下两层,隔板后端与双喷管相连。实验时,通过调节上层稳定段前端的总压调节器来控制喷管出口听静压匹配情况。当喷管出口静压一致时,上下两层来流在实验段压力匹配;喷管出口静压不等时,则流动在实验段内是压力不匹配的流动。通过校测,得到上下两层的来流马赫数分别为2.12和3.18。

图1 超声速混合层风洞示意图

1.2 NPLS系统

NPLS系统由赵玉新等人[6-7]开发完成,其以平面激光散射技术为基础,以纳米粒子为示踪粒子,其示意图见图2。其中,计算机控制NPLS系统的运行并且实时地存储实验图像。同步控制器用来控制系统各个部件协同工作;CCD相机分辨率为4 000像素×2 096像素;脉冲激光片光采用波长为532 nm,脉冲时间为6 ns的双腔Nd:YAG激光器,脉冲能量达500 mJ,时间分辨率为200 ns。采用纳米级的TiO2作为示踪粒子,其在超声速流场中有较好的跟随性,能够很好的捕捉到流场中拟序涡、激波、湍流边界层等流动精细结构。在获得的流场图像中,灰度高的部分对应于高马赫数的流场,灰度低的部分对应于低马赫数的流场。

图2 NPLS系统示意图

2 实验结果分析

2.1 激波对混合层发展的影响

在超声速混合层流场结构中,当上下两层来流在喷管出口处压力不匹配时,将会导致各种波系结构的出现,最典型的就是喷管后缘附近出现斜向下的斜激波并使分隔板下的边界层分离。流场中激波的出现会对超声速混合层的转捩位置、拟序涡结构、混合层的增长速度等产生重要的影响。

图3和图4是压力不匹配情况下超声速混合层的流向NPLS流场图像,每幅图像的中间部分为混合区域,下面部分为壁面边界层区域。其中,图3上层喷管出口压力为5 200 Pa,下层出口压力为2 800 Pa,压力差为2 400 Pa;图4上层喷管出口压力为11 000 Pa,下层喷管出口压力为2 800 Pa,压力差为8 200 Pa。图像的拍摄位置、曝光时间均相同。图中(a)和(b)两幅图的时间间隔均为10 μs。

图3 压力差为2 400 Pa时流场NPLS图像

图4 压力差为8 200 Pa时流场NPLS图像

由于混合层中具有的Kelvin-Helmholtz不稳定性作用,流动在向下游发展的过程中形成具有拟序结构的K-H涡。在压力不匹配的情况下,上层的高压首先传递给下层来流的边界层,导致下边界层增厚。增厚的边界层相当于下层流动中的障碍物,因此产生了向下的斜激波。上下两层流动在喷管后缘相遇后转捩位置大大提前,在压力差为8 200 Pa时,根本就看不到层流区域,来流相遇后就形成了湍流结构。同时,由于上层来流具有较高的压力,使得混合层结构整体向下方低压一侧偏移,在图4中压力差为8 200 Pa时尤其明显。压力差的提高明显的抑制了混合层的增长速度。通过线性拟合可知,压力差为2 400 Pa时超声速混合层的厚度以9.6°的角度增长,而压力差为8 200 Pa时,增长速度的角度减小为6.8°。这说明,虽然压力不匹配程度越高,混合层的转捩位置越靠前,但是这并没有明显提高超声速混合层的混合效率,反而在一定程度上抑制了混合层的发展。

此外,在10 μs的时间间隔内,图3和图4实线圆框中的涡结构A和B分别向下游运动了5.64 mm和5.72 mm,同时拟序结构几乎没有什么变形。这说明,一方面超声速混合层中流动结构具有运动快、变形慢的特点;另一方面,来流压差的变化并没有显著改变流动结构向下游演化的速度。

2.2 激波与湍流边界层相互作用

图5为超声速流场中激波与边界层相互作用的示意图。在超声速混合层中,气流经过激波后,由于斜激波前后压力差的作用，气流的压力突然提高。激波后面提升的压力通过壁面边界层内的亚声速区向上游传播，形成强烈的逆压梯度。强烈的逆压梯度会造成边界层的分离，形成分离泡结构，进而导致壁面边界层增厚，在壁面处形成一个凹角，凹角的出现使来流主流产生一系列弱激波，最终在离壁面一定距离处集中发展成为一道反射斜激波。

图5 激波和边界层相互作用示意图

为了更清晰的展示激波与湍流边界层相互作用的流场结构,采用伪彩色处理的方法[8-9]得到了压力差为2 400 Pa时斜激波与壁面边界层相互作用的伪彩色图像,如图6所示,图中(a)和(b)两幅图的时间间隔为10 μs。从图中可以看出,入射激波的作用使得壁面边界层突然增厚,形成分离泡。增厚的边界层相当于流场中的障碍物,导致了弓形诱导激波的产生。

此外,在10 μs的时间间隔内,流场中涡结构C和D分别向下游运动了5.76 mm和5.70 mm。而比较C和D的形变可以发现,相比于涡结构C,从D到D′,涡结构发生了更大的变形。这表明激波的作用增强了流场的非线性和非定常特性,使得流场中结构的脉动加剧。同时,在10 μs的时间间隔内,斜激波入射点的位置仅仅向下游移动了2.26 mm,运动的速度远远小于流动向下游发展演化的速度,这说明由于湍流边界层强烈的脉动特征,斜激波的入射位置会发生前后的偏移。

图6 斜激波与边界层相互作用的伪彩色图像

3 结论

通过研究,得出以下结论:

1)压力不匹配混合层对流场结构和混合层的发展演化有重要影响。压力不匹配导致混合层的转捩位置提前,大尺度涡的结构更加破碎,混合层结构整体向压力低的一侧发展。

2)超声速混合层中,压力不匹配程度越高,混合层的转捩位置越靠前,但是这并没有明显增强超声速混合层的混合效率,甚至在某种程度上抑制了超声速混合层的增长。

3)入射斜激波与壁面边界层的相互作用导致极为复杂的流场结构,增强了流场的非线性和非定常特性,使得流场中结构的脉动加剧。

4)激波与湍流边界层的作用使得边界层在激波入射点之后增厚,产生椭圆形分离区。此外,随着湍流脉动的加剧,激波入射点会发生前后的偏移。

[1] CLEMENS N T, MUNGAL M G. Two- and three-dimensional effects in the supersonic mixing layer [J]. AIAA Journal, 1992, 30(4): 973-981.

[2] SANKARAN V, MENON S. LES of scalar mixing in supersonic mixing layers [J]. Proceedings of the Combustion Institute, 2005, 30(2): 2835-2842.

[3] 张海龙, 徐万武, 吴继平. 超声速平面混合层大尺度结构与压力脉动的相互作用研究 [J]. 弹箭与制导学报, 2013, 33(6): 89-92.

[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

国家自然科学基金(11272351;91441121)；湖南省研究生科研创新项目(CX2016B001)资助

张冬冬(1990-),男,江苏泰州人,博士研究生,研究方向:高超声速推进技术。

V211.7

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