超声速进气道中的激波/湍流边界层干扰现象及其控制研究

Due to the coupling of three pressure-gain processes by oblique shock, normal shock and subsonic diverging flow, the shock wave/boundary layer interaction phenomenon in supersonic inlets embodies the prominent features of multiple shock interaction, curved shock interaction, and subsonic adverse pressure interference, which makes its prediction and control go beyond the scope of current shock wave/boundary interaction theory. Making full use of the supersonic flow test bed and advanced measuring techniques such as NPLS and stereo PIV, this project plans to examine the three-dimensional structure and characteristics of shock wave/boundary layer interaction in internal flows in combination with high accuracy CFD method such as LES. Fundamental problems including the interfering path and coupling mechanism of the surrounding flow processes with the shock wave/boundary layer interaction, and the effective flow control mechanism of strong three-dimensional and multiple shock wave/boundary layer interaction will be addressed carefully. A reliable prediction method for the characteristics of shock wave/boundary layer interaction in supersonic inlets is expected to establish. Flow control methods including two-dimensional movable bump and plasma synthetic jet will be explored for separation suppression of the shock wave/boundary layer interaction. The achievement of this project will lay a sound foundation for the aerodynamic design of supersonic inlets.

由于同时包含有斜激波增压、正激波增压和亚声速增压等气动过程，超声速进气道中的激波/边界层干扰现象具有连续多区干扰、亚声速扩压叠加干扰、曲面激波(或曲壁边界层)干扰等鲜明特点，使得对其特性的准确预测和有效控制均超出了现有激波/边界层干扰理论的认知范畴。本项目拟充分利用课题组超声速流动机理实验台，借助NPLS、三维PIV等先进流动测量技术，结合LES高精度仿真分析方法，对强三维多区激波/边界层干扰结构和干扰特性进行细致研究，重点阐明内流激波/边界层干扰对周围流动要素响应的基本特性与动力学机制、强三维多区激波/边界层干扰的高效流动控制机理等科学问题，建立超声速进气道中激波/边界层干扰特性的预测方法。同时，发展基于二维可平移鼓包、等离子合成射流激励器等的激波/边界层干扰控制新方法，为先进超声速进气道的气动设计奠定理论和方法基础。

本项目紧密结合国家航空航天领域的重大需求，研究超声速进气道内的激波/边界层干扰问题。阐明了内流SWBLI对周围流动要素响应的基本规律与动力学机制、强三维多区SWBLI的高效流动控制机理等科学问题。通过试验证实了超声速湍流/非湍流界面在宽广的尺度范围内具有自相似特性，且分形维数为1.31；发现了入射激波/边界层干扰流动中存在类Görtler涡结构；发现了双入射激波/边界层干扰的三种典型模式；发现了双扫掠激波/边界层干扰流动中的上下游流动干扰机制与典型流动结构；揭示了鼓包诱导三维曲面激波/边界层干扰流动的准锥形相似特性；揭示了等离子体合成射流诱导运动激波/定常激波的相干机理等。相关学术成果受到了国内外同行的正面评价。并且，部分学术成果已直接指导实际飞行器进气道的气动设计，在某试飞器、导弹等多种飞行器上得到成功应用，有效解决了高速进气道的宽域高效气动设计难题。.项目负责人获得了国家杰出青年基金(2020年)、国防卓越青年基金(2017年)资助，入选国家百千万人才工程(2020年)、中青年科技创新领军人才(2018年)，并带领发动机进排气技术团队入选国防科技创新团队(2018年)。以第一完成人获得教育部技术发明一等奖(2016年)、国防技术发明一等奖(2018年)。所指导的博士研究生获航空宇航学科全国优秀博士论文(2018年)。