微涡流发生器控制下的激波串精细结构与振荡特征研究

The shock train in the scramjet engine is a complex flow phenomenon of intensive three-dimensional and unsteady. In this project, the fine flow structures and oscillation features of the shock train controlled by MVGs (Micro Vortex Generators) are studied, which is important for the development of hypersonic propulsion. First, Non-intrusive measurement technique with high spatial-temporal resolution and SNR (Signal-to-Noise Ratio) is employed to diagnose the shock train and boundary layer structures to reveal the three-dimensional features and the development of the shock train. The oscillation features and behavior of shock train are studied by measuring high frequency pressure, to explore the correlation between the unsteadiness and structure variation of the shock train. Based on this, the controlling effects of MVGs are also investigated to analyze how it affects the shape, reverse pressure endurance, oscillation and hysteresis of the shock train and boundary layer separation. This project is aimed to reveal the scientific rules of shock train/boundary layer interaction in a further extent and drive the development of scramjet engine inner flow investigation.

超燃冲压发动机内部的激波串复杂流动现象，具有强烈的三维性和非定常性。本项目针对微涡流发生器控制下的激波串精细结构及振荡特征开展相关的实验研究及机理分析，对高超声速推进技术的发展具有十分重要的研究意义和工程价值。首先，采用具有极高时间、空间分辨率及信噪比的非接触精细测量技术对激波串及边界层结构进行切片式诊断，揭示激波串与边界层三维复杂流动现象的精细化结构及其演化规律；其次，基于高频脉动压力测量，分析激波串振荡特性及运动规律，探索激波串非定常性特征与结构变化之间的关系；在此基础上，研究微涡流发生器对激波串流场的控制机理，分析其对激波串形态结构、抗反压能力、振荡特征、迟滞效应以及边界层分离情况等方面的影响。本项目旨在应用新技术开展创新性研究，在更为精细的层面上揭示激波串/边界层相互作用的基本科学规律，推动超燃冲压发动机内流基础研究的发展。

激波串由一系列波系结构组成，是超燃冲压发动机内部复杂的流动现象，具有强烈的三维性和非定常性。对该流动现象的理解能够促进发动机优化设计和性能提高。本项目针对微涡流发生器控制下的激波串精细结构及振荡特征开展相关的实验研究及机理分析。项目的主要研究内容包括激波串流场精细结构研究、激波串非定常振荡特性与运动规律研究、微涡流发生器对激波串流场的控制机制研究。另外，由于激波串具有强烈三维性、非定常性，为了更好地开展研究工作，项目组在新的光学测试技术上还进行了自主研究和探索。. 激波串三维精细结构测量，获得了激波串波足与壁面湍流边界层相互作用局部区域进行细节流动结构，揭示了激波串上传过程中激波串与边界层在结构上随压比的演变规律。结果表明激波串前缘激波的结构变化相对而言更为剧烈，边界层分离加剧导致流向结构与展向结构出现明显的差异，说明了激波串的强烈三维性。通过对激波串流场压力脉动的时频域特征分析，建立了基于压力差分平方累和方法作为激波串前缘位置检测的有效判据，结合小波分析获得了激波串在隔离段不同位置的振荡特征，揭示了激波串前缘激波在向上游运动中振荡加剧的现象，拟合了激波串压力数据的二次方程运动规律。结合精细结构测量的结果，探索激波串振荡的非定常特性与其结构变化之间的指数关系。采用程控微涡流发生器阵列，对比分析流动控制引入前后的激波串流场整体特性与边界层形态的变化，比较了无控制和带涡流发生器控制的激波串PIV速度场，发现了涡流发生器对激波串具有一定的抑制效果。项目研究过程中发展了并应用了四脉冲PIV技术和瞬态纹影技术、Schlieren-PIV等新的光学测试技术，为更好地揭示激波串的物理特征提供了有利帮助。. 本项目对激波串的物理机理开展了研究工作，发展并应用了新的光学测量技术，在更为精细的层面上揭示激波串/边界层相互作用的基本规律，推动超燃冲压发动机内流基础研究的发展和光学测试技术的应用。