带喷流影响的空腔流场波系结构及热交换机理研究

Cavity flows, which is of great application value, exist in many aspects of aerospace engineering, including cavity flows in nozzles or bare instrument cabinets of the launch vehicle, unsteady fluid motions around the weapon bays and wheel wells of vehicle. Additionally, there are many theoretical researches on cavity flows, dealing with highly unsteady fluid motions, shock oscillations, complex heat exchange, etc.. Therefore, it is significant to study cavity flow problems both in theoretical aspects and engineering applications. In this research, based on the supersonic flow theory, the wave structure of flow field in the shear-cavities and leeward-cavities on supersonic and hypersonic condition, including the position, shape and intensity of shock wave, expansion wave, shear layer and separation vortex, is systematically studied in theory. In addition, the influence of air jets and back pressure is researched. Furthermore, the mechanism of the heat exchange characteristic is reserched, and a heat exchange theory is tried to be established.

空腔流动是航天航空领域中常遇到的问题，如运载火箭喷管空腔、尾部裸露仪器舱及飞行器武器舱、起落架等，具有很高的工程应用价值。空腔流动涉及到非定常流、激波振荡、复杂热交换等诸多前沿问题，具有广泛的理论研究意义，目前已成为国际上空气动力学领域的一个研究热点。过去传统空腔流动研究主要集中在亚跨音速流中剪切空腔的压力脉动、气动噪声等方面，本项目立足于超音速流相关理论，尝试从理论上系统地研究超音速及高超音速来流条件下剪切空腔及背风空腔内的流场波系结构（包含各种激波、膨胀波、剪切层、分离涡的位置、形状及强度），分析喷流及主流干扰条件下空腔内流场结构变化，研究不同背压条件对空腔内流场结构的影响规律，进一步分析空腔内热传输机理，尝试建立带喷流干扰的空腔内热传输理论，通过数值仿真及实验对上述理论加以验证。

空腔流动是航天航空领域中常遇到的问题，如运载火箭喷管空腔、尾部裸露仪器舱及飞行器武器舱、起落架等，具有很高的工程应用价值。空腔流动涉及到非定常流、激波振荡、复杂热交换等诸多前沿问题，具有广泛的理论研究意义。本项目立足于超音速流相关理论、数值仿真计算和实验，研究了超声速及高超声速来流条件下剪切空腔及背风空腔内的流场波系结构，分析了喷流及主流干扰条件下空腔内流场结构变化，进一步研究了高超声速稀薄流条件下空腔内热传输特性，并对一种前沿的热防护材料（多孔介质材料）的热传输特性开展了初步研究。研究结果表明，闭式剪切空间流动可以划分为背风台阶区、均匀区、迎风台阶区等几个部分，其流场结构与激波/边界层干扰流场结构存在相似性；喷流干扰下的背风空腔内，外流速度为0时的圆柱表面热流仅为外流为2.5马赫时的3%；稀薄流条件下空腔内热流环境与密度近似成正比；0.2~0.6g/s的水流量能将直径5cm的多孔介质材料表面维持100摄氏度，冷却效果甚佳。本项目研究的剪切空腔的流场结构和喷流干扰的背风空腔流场结构，均属于运载火箭表面常见流动现象，项目研究获得的理论方法，后续可结合运载火箭试验数据进行一定完善修正，进而建立实用的工程方法，可应用于航天飞行器的气动加热环境与防热方案设计。