反压变化引起的隔离段边界层分离迟滞的流动机理研究

The flow hysteresis in the scramjet isolators results in path dependence of the combustor performance. As a result, the scramjet performance would deviate from the original design. A new flow hysteresis in boundary layer separation was recently found by the applicant within the process of back pressure rise and drop, which can be triggered by some complex isolator geometries or flow conditions. However, its flow mechanism is still unclear due to the complicated flow patterns, including shock wave interference, shock wave reflection and shock wave boundary layer interactions. This project plans to extensively study the boundary layer separation hysteresis induced by back pressure variation in the supersonic internal flow by experiment and numerical simulations. Based on the investigation of the boundary layer separation hysteresis under various geometric or flow conditions, the key inducements and their influences on this type of hysteresis are explored. The dominant flow structures and the flow mechanism of this hysteresis will be then elucidated. Furthermore, the flow control methods will be developed to effectively eliminate or suppress the boundary layer separation hysteresis under the practical working conditions of the scramjet isolator.

隔离段流动迟滞会导致燃烧室工作状态存在路径依赖性，造成发动机的工作性能偏离设计初衷。申请人前期工作发现，在反压变化过程中某些几何或气动条件会诱导隔离段出现一种新的流动迟滞现象——边界层分离迟滞，而由于该流动耦合了激波相交、反射、激波/边界层干扰等复杂气动现象，对于其流动机理还缺乏深层次的理解。本项目针对反压变化引起的隔离段边界层分离流动的迟滞问题开展试验及数值研究，考察各种复杂的隔离段流动及几何条件下边界层分离迟滞现象，探索隔离段出现反压作用下边界层分离迟滞的关键诱导因素及其影响规律，提炼主导迟滞现象的典型流动结构，揭示反压变化引起的隔离段边界层分离迟滞的流动机理，并发展在隔离段实际工作环境下可有效消除或抑制边界层分离迟滞的流动控制方法。

隔离段是超燃冲压发动机的一个重要部件，内部是以激波串及大尺度的边界层分离主导的复杂流动，前期研究初步发现了反压作用下激波串流动迟滞的新现象，该流动迟滞会导致燃烧室工作状态存在路径依赖性，造成发动机的工作性能偏离设计初衷。相较于国际上激波反射迟滞问题的研究，边界层分离迟滞的认识还处于空白。.项目基于自由相互作用理论发展了无干扰条件下激波串首道激波的理论模型，发现均匀流条件下激波串流动不会随反压的升降过程出现激波反射及边界层分离的迟滞。进一步数值仿真研究了上游流动干扰条件下激波串随反压变化的流动特性，考察了隔离段干扰流动对当地边界层流动状态的影响，发现边界层干扰是边界层分离迟滞的关键诱因。深化实验研究了斜楔尺度、位置、来流气动参数、压缩波强度对边界层分离迟滞环的影响规律，发现并分析了伴随边界层分离迟滞的振荡迟滞现象，进一步揭示了上游边界层逆压梯度为边界层分离迟滞的主导流动特征。设计简化流动模型开展了边界层分离迟滞流动的原理探索，考察了边界层分离汇聚前突变过程，揭示了边界层分离迟滞的流动机制。着眼于边界层分离迟滞的控制，试验探索了斜楔三维效应对边界层分离迟滞环大小的影响，发现开口率75%的三维斜楔在不损失抗反压能力条件下可以有效抑制边界层分离迟滞。此外，试验考察了与下游燃烧耦合的激波串迟滞特性，研究了燃料当量比往复变化过程燃烧及流动的演化，并揭示了其中燃烧稳焰模式与激波串互反馈的流动机制，而下游燃烧的反馈条件可以导致均匀来流条件下激波串的迟滞。.隔离段流动迟滞的研究深化了对发动机变工况工作状态及流动的理解，为发动机性能设计及控制提供了理论指导。从空气动力学学科角度，本研究获得了内流边界层分离迟滞新现象，丰富了超声速气体动力学的知识体系。