隔离段复杂激波系下壁板非线性流固耦合特征及影响机制研究

Isolator is a key component that determines the working mode of the ramjet. The complex shock train structure and its oscillation in the isolator lead to obvious nonlinear and unsteady characteristics of aerodynamic load. The plate of isolator under unsteady aerodynamic load will inevitably induce the fluid-solid coupling problem. However, there is almost no previous research on the special plate nonlinear fluid-solid coupling problem under the oscillation of the shock wave. The purpose of this project is to study the nonlinear fluid-solid coupling dynamics characteristics of the plate under the complex shock wave train structure in the isolator, and to explore the interactive game mechanism between the dynamic response problem caused by the oscillation of the shock train and the fluid-solid coupling dynamics stability problem of the plate. Consequently, the effects of the plate vibration on the shock structure and performance parameters are revealed in detail. Besides, a CFD/CSD nonlinear fluid-solid coupling numerical simulation method based on a high-order accuracy CFD program is developed. The dynamic analysis methods and flow field feature analysis methods are used to analyze the results. Overall, this research is aimed not only to promote the understanding of the fluid-solid coupling problem of the isolator, but also to provide inspiring ideas and practical guidance for the design of the isolator of the dual-mode ramjet in the future.

冲压发动机隔离段是决定发动机工作模态的关键部件，其内部复杂激波串及其自激振荡导致气动载荷存在明显的非线性和非定常特征，在这种非定常气动载荷的激励下隔离段壁板将不可避免产生流固耦合问题。然而，目前针对这种激波串自激振荡下特殊的壁板非线性流固耦合问题的研究基本上空白。本项目旨在研究隔离段复杂激波系下壁板非线性流固耦合动力学特征，重点探索激波串自激振荡导致的动力学响应问题与壁板流固耦合动力学稳定性问题之间的相互博弈机制，揭示壁板流固耦合对隔离段激波结构及性能参数的影响规律。在高阶精度CFD程序的基础上，开发基于CFD/CSD非线性流固耦合数值模拟分析方法，进而采用多种动力学分析方法以及流场特征分析方法对数值模拟结果进行分析。通过本项目的研究，不仅以期增加对隔离段流固耦合问题的认识和理解，也为未来双模态冲压发动机隔离段气动和结构的精细化设计提供参考和指导。

高超声速推进技术是当前国内外研究的热点，隔离段作为超燃冲压发动机的重要组成部分，其内部复杂激波串及其自激振荡导致气动载荷存在明显的非线性和非定常特征。在这种非定常气动载荷的激励下隔离段壁板结构非常容易诱发复杂非线性流固耦合问题，进而严重影响冲压发动机性能和安全。然而，目前大部分研究主要是关于隔离段流动特征机理和流动控制方法等方面，针对隔离段流固耦合问题的研究比较少。.本项目针对隔离段复杂激波系下壁板非线性流固耦合特征及影响机制开展研究。首先，发了一套基于高阶精度CFD/CSD的非线性流固耦合数值模拟分析程序，并通过典型隔离段和三维壁板颤振试验算例对CFD/CSD程序的可靠性进行了验证；然后，建立了隔离段流固耦合模型，进而基于数值模拟研究了壁面强迫振动的振动形式（单壁面振动、上下壁面同时振动、同向振动和反向振动）和振动位置（上游、中游和下游区域）对隔离段流场和性能的影响机制和机理；研究了壁面强迫振动振动参数（幅值、频率、波长）对隔离段流场和性能的影响机制和机理；研究了柔性壁板结构流固耦合对隔离段流动结构和性能的影响机制和机理。研究结果表明壁板流固耦合对隔离段流动结构和性能将产生显著的影响。壁板流固耦合将导致激波串结构和分离区显著向上游移动、非定常侧向载荷增加、平均流动不对称更加显著、流场畸变指数大幅增加；同时，将在隔离段内部诱导出更多的激波和膨胀波，导致隔离段总压恢复系数损失更大，且性能参数存在非常剧烈的波动。综上所述，本项目深入研究了隔离段复杂激波系下壁板流固耦合及影响机理。.在项目执行期间，发表了高水平SCI学术论文8篇，参加国内学术会议2次，获得会议优秀论文奖1项，受邀做特邀报告1次，获得软件著作权3项。同时，联合培养博士研究生1名，硕士研究生2名。