内流道壁面结构的流固耦合性质及其影响机制

A set of research framework and system is proposed to describe and study the fluid-solid coupling of thin plate in the internal flow of the ramjet due to the complex environment and the prominent fluid-solid coupling of thin plate in the internal flow of the ramjet, under the background of future reusable air-breathing hypersonic vehicles and combining theoretical analysis, computational simulation and wind tunnel experiment. Two key scientific problems are presented: (1) the basic characteristics of the fluid-solid coupling of thin plate in the internal flow. (2) The effect mechanism of the fluid-solid coupling of thin plate on the internal flow and the combustion performance. Through the study on these scientific issues, the understanding of the fluid-solid coupling of thin plate in the internal flow would achieve a new height. At the same time, through studying the research results of the second scientific issue, a new method to improve the ramjet performance is put forward and explored by use of dynamic processes of the panel fluid-solid. The project aims to make the study on the fluid-solid coupling of thin plate in the internal flow of ramjet reach to the international-leading level. The study not only enables us better understand the mechanical characteristics of the fluid-solid coupling of thin plate in the internal flow of the air-breathing hypersonic vehicles, but also plays a positive role to promote the performance of the ramjet.

以未来可重复使用的吸气式高超声速飞行器冲压发动机为背景，鉴于冲压发动机内流道中薄壁结构面临的复杂环境和突出的流固耦合问题，以理论分析、数值模拟和风洞实验研究相结合，建立一套描述和研究冲压发动机内流道薄壁结构流固耦合及其影响的研究框架和体系；重点揭示两个关键科学问题：（1）冲压发动机内流道薄壁结构的流固耦合基本性质和特点；（2）内流道薄壁结构流固耦合对内部流场、燃烧性能的影响机理；通过这些科学问题研究，不仅使得对冲压发动机内流道薄壁结构的流固耦合行为的理解达到一个新的高度，同时通过第二个科学问题研究成果，提出并探索利用壁板流固耦合动力学过程提高冲压发动机性能的新方法。本项目的研究目标是以冲压发动机为背景的内流道薄壁结构流固耦合方面研究达到国际领先的高度。本项目的研究工作不仅能够加强对高超声速吸气式发动机内流道薄壁结构流固耦合力学性质的理解，对于促进冲压发动机性能的提升也具有明确的促进作用。

吸气式高超声速飞行器是当前国内外竞争的热点方向，被认为是未来航空航天领域的技术“制高点”，而吸气式冲压发动机是实现高超声速飞行的关键部件，从基本原理上讲，冲压发动机具有结构简单的特征，它主体上是由一个内流道构成，而构造此内流道的壁板是冲压发动机的基本结构形式，本项目的第一项研究工作就是在复杂内流道的环境下研究壁板结构的流固耦合力学特性，围绕该基础科学问题，本项目发展了多种高阶精度格式的CFD数值模拟方法以适应内流道复杂流动结构的需要；揭示了高效活塞理论方法非线性项的物理本质；构建了激波主导无粘流动壁板颤振模型和理论分析方法；建立了含不同背压下的薄壁结构流固耦合模型和理论分析方法；从理论上证明了壁板颤振变形在75％处出现最大变形的内在机理；揭示了低超声速马赫数下单自由度颤振的物理机制；研究了三维扫掠激波下壁板颤振的动力学行为和演化规律；建立了激波振荡下非线性壁板颤振的动力学分析模型，并研究了壁板的主共振特性，揭示了激波振荡的强迫激励和薄壁结构流固耦合过程中的“博弈”演化规律；建立了粘弹性壁面在超声速激波主导流动中的非线性动力学模型和理论分析方法；这些理论研究工作极大拓宽了传统理论分析方法的适用范围。本项目的第二个方面工作是研究了壁板振动对内部流场的影响，揭示了壁板振荡对超声速混合层的影响规律，提出利用超声速壁板振荡的非定常激波激发超声速混合层提高燃料掺混的新概念；研究了壁板振荡对激波串结构的影响机制，并分析了振荡壁板的位置影响规律；研究了振荡激波对三维超声速混合层的演化过程的影响，并采用DMD和POD方法对该演化过程进行了定量分析；揭示了非定常激波诱导化学反应的物理机制，为冲压发动机的效率提升提供了一种新的技术思路；研究工作形成了多方面研究成果，先后发表学术论文34篇，开发软件多套，并依靠本项目的研究成果，为国家相关飞行器研制提供技术支持和服务。