粗糙壁隔离段的激波串特性及流动机理研究

Surface roughness can have a significant effect on the shock train pattern and performance for an isolator, and consequently cause disturbance of the performance and stability margin of the scramjet engine, which normally required to reach a high standard. Unfortunately, previous efforts focused primarily on showing the relation between superficial flow features and finite pressure information, and little progress has been made by far in understanding the underlying mechanism with regard to how the roughness-related micro-disturbance influences the near-wall flow behavior and then the shock-train structure. Aiming to the fundamental aerodynamic problem, this project is devoted to an experimental investigation of the effects of the surface roughness on the isolator shock structure and performance by the high-fidelity measuring technique. Meanwhile, the key factors related to the isolator internal flow pattern and their effects are discussed. Besides, with the help of the simulation method, the flow mechanism of the roughness effect on the shock train will be then elucidated to support the practical design of isolator.

隔离段壁面粗糙度的出现会改变其内激波串结构及性能，而这对于整体效能发挥本就严苛的超燃冲压发动机而言，会导致其性能和稳定工作边界出现明显偏移。遗憾的是，目前针对该问题的研究多是停留在对宏观流动现象和简单的压力数据对比上，对于粗糙度是通过何种微扰动机制影响边界层以及近壁流动状态、进而改变激波串结构的仍缺乏深层的理解。针对这一基础气动问题，本项目拟开展粗糙度引起的激波串结构和隔离段性能变化的实验研究，借助先进的实验测量手段考察不同粗糙度壁面下的隔离段流场结构，探索粗糙度对流动结构的关键影响参数及其影响规律，并辅以仿真分析从中揭示粗糙度对激波串结构影响的关键流动机制，为隔离段的工程设计提供理论支撑。

隔离段作为超燃冲压发动机的核心气动部件，负责进气道和燃烧室的协调工作。隔离段在实际使用时经长时间烧蚀，其壁面粗糙度将显著提升。为掌握粗糙度影响下的激波串典型流动结构和隔离段性能的变化规律，本项目开展了以下4个方面的工作：.试验研究了壁面粗糙元对隔离段激波串典型流态的影响，发现粗糙元引入的弱压缩波结构会明显改变激波串结构，一方面激波的“厚度”将出现明显的增加，另一方面激波串的低速区也将同步增大。.试验研究了壁面粗糙元对隔离段激波串性能特性的影响，发现隔离段抗反压性能与粗糙元结构尺寸、覆盖区域、来流条件等因素都有关联。最终抗反压能力随上述因素的变化可能是增强，也可能是减弱，可见粗糙壁面与激波串间存在着十分复杂的作用机制。.试验研究了壁面粗糙元对隔离段激波串振荡特性的影响，发现在增加壁面粗糙元后，激波串脉动强度出现断崖式下降，从最初的1.24倍来流静压突降至0.1倍以下，降幅高达92%，不过需要注意的是，增大粗糙元尺度并不意味着抑制效果会进一步增强。.仿真探索了壁面微元结构的激波/边界层干扰控制方法，验证了凸台型的粗糙元结构对分离区长度的抑制效应。在压缩波起的关键作用下，分离包尺度缩小了9.13%。此外，粗糙元结构参数的变化对于分离的控制效果都有一个最优的点，这与之前的试验结果规律也是相符的。.上述研究结合试验和仿真手段，获得了粗糙壁对隔离段内激波串的非线性影响规律以及其中的关键影响因素和机制，并基于此探索了基于壁面微元结构的激波/边界层干扰控制方法，为超燃冲压发动机中隔离段工程设计和流动控制提供了理论支撑和新的思路。.