超声速混合层流场精细时空结构的实验研究

超声速混合层流场精细时空结构研究是当前空气动力学研究的热点和难点，具有重要的科学与工程意义，但目前仍有很多问题无法达成共识。通过创造性地设计超声速混合层实验装置、应用高时空分辨率的实验测试技术与先进的流动图像处理、分析和理解技术，研究超声速混合层精细空间结构，拟序结构动力学建模、湍流参数测量与分析以及流动控制效果等问题。为超声速剪切流稳定性、转捩与湍流的建模与验证提供定量化的数据支持，同时也为可压缩条件下剪切湍流雷诺统计模式的湍流模型、大涡模拟的亚格子模型以及直接数值模拟的边界条件研究提供重要的实验数据。相关研究成果可用于增强超燃冲压发动机燃烧效率、提高超声速引射器的引射性能，改善高速导弹气幕冷却窗口及高能激光器气动窗口的光学品质等。

根据超声速混合层流场精细时空结构的研究内容，提出了基于B-Spline曲线的超声速可调型面喷管设计方法，研制轴对称超声速混合层风洞，解决了层流化、压力匹配超声速混合层的技术难题。. 以轴对称超声速混合层为研究对象，建造了轴对称超声速混合层静风洞，并开展实验观测与数值模拟研究。结果表明，在轴对称效应的作用下，混合层流场与平面情况有所区别，当内部直径较小时，若流动压力不匹配，则混合层将呈现出非对称发展的情况。其主要原因在于，为了保证质量守恒，环形的混合层流场在半径变化时，应基本保持与压力匹配相近的面积变化率，从而导致整个流管曲面的非线性变化。. 针对项目研究内容和本单位的实际情况，开展了超声速气流中的横向混合研究。采用实验与数值模拟方法，研究了精细流场结构和时间平均流场参数，分析了沿程混合导致的总压损失情况。实验结果表明，超声速气流中的横向射流混合流场十分复杂，从喷孔喷出的气态射流与超声速来流碰撞相互挤压产生喷前弓形激波和回流区，喷流在来流挤压下转弯，流动方向逐渐与来流趋向一致，由于喷流处于欠膨胀状态，喷流在转弯的过程中会形成桶状激波和马赫盘，同时受到来流剪切作用形成反转旋涡对。在NPLS实验研究中，发现了射流弓形激波与边界层相互作用的三维分离现象，是一种典型的扫掠激波与边界层相互作用的流场，对内流道的有效流动截面和沿程压力分布具有重要的影响。基于实验和数值模拟的结果，建立了弓形激波、流向涡与混层合的一维模型，完成混合过程中总压损失的预估，并进行了相关数值模拟和实验验证。