激波/附面层干扰不稳定性的控制机理与规律

The shock/boundary layer interaction is a common phenomenon in supersonic flows, and its induced flow separation and instability has significant effect on the performance of supersonic vehicles and their propulsion systems. The active flow control for shock/boundary layer interaction calls for actuators with rapid response, high pulse amplitude and wide frequency spectra, which poses a great challenge to researchers. This project proposes to 1) explore the flow control mechanism of the shock/boundary layer interaction based on the extensive study of flow separation and instability in this flow configuration; 2) develop the suitable plasma actuator with fast respond, high actuation amplitude, wide frequency range and low energy cost, and establish the thermodynamic model for the corresponding plasma actuators; 3) understand the governing law of plasma actuators in the improvement of boundary layer ability to separation prevention and control of seperation instability; 4) numerically simulate the flow control process in the shock/boundary layer interaction and demonstrate the effect of the actuators on the control of boundary layer and flow separation; 5) validate the numerical results through experiments with focus on the effect of the actuators’ geometry and performance parameters. The project facilitates the further understanding of the flow characteristics and control mechanism in the shock/boundary layer interaction, which is of great scientific significance and engineering application to the future civil and military supersonic aircraft.

激波/附面层干扰广泛存在于超声速流动中，由其导致的流动分离及不稳定性对超声速飞行器及推进系统性能会产生严重的影响，对其进行有效的流动控制需要响应快速、控制频率和幅值较高的激励器，是一个富有挑战性的研究领域。本项目在对激波/附面层干扰产生的分离不稳定性进行深入研究的基础上，探索激波/附面层干扰的主动控制机理；发展适合的快速响应、高幅值脉动、频带宽、低能耗的等离子体激励器，并建立相应的动力学模型；掌握应用等离子体主动控制提高附面层抗分离能力和控制分离区不稳定性的规律；对激波/附面层干扰的主动控制过程进行数值模拟，揭示等离子体主动控制对来流附面层和分离区不稳定性的影响；通过实验验证等离子体主动控制激波/附面层干扰的效果，考察激励器几何参数和性能参数的影响。本研究成果可深化人们对激波/附面层干扰的流动结构和控制规律的认识，对未来超声速民用飞机和军用飞机的发展具有重要的科学意义和工程应用前景。

激波/剪切层相互作用，包括激波/边界层和激波/射流剪切层相互作用，是现代（高）超声速研究领域中不可回避的最为常见也最为重要的基础研究课题之一。该现象广泛存在于（高）超声速飞行器的内外流场中，对机体结构疲劳损伤及热防护、超燃冲压发动机进气道起动、燃烧室燃料射流掺混燃烧等有着重要的影响。以等离子体激励器为基础的主动流动控制技术，基于其无惯性、响应快、控制灵活等优点，为实现（高）超声速流场适时有效的调控提供了可能，成为了超声速流动控制领域的研究热点。.本项目采用实验和数值模拟相结合的方法探索并发展适用的等离子体激励器，揭示其在激波/边界层和激波/射流掺混相互作用等方面的控制机理及规律，以期应用于超燃冲压发动机的设计当中，用以改善发动机进气道起动及燃烧室燃料射流掺混燃烧等性能。主要研究内容及成果总结如下：.（1）实验研制并对比了小功率直流电弧等离子体激励器在稳态及高频脉动工作模式下对激波/边界层相互作用的控制效果及规律。获得了电弧等离子体的电阻及功率特性；发现了相比于脉动电弧，沿流向分布的稳态电弧等离子体对激波强度及位置的调控更为有效，且电弧长度对激波控制效果的影响更为敏感。这就意味着在工程设计应用时，电弧长度可作为调节激波减弱效果的控制变量。.（2）基于二维/三维工况下激波/射流剪切层相互作用的数值模拟研究，系统分析了射流马赫数、能量激励位置和频率等参数对射流与激波作用后的掺混效果的影响。揭示了脉冲能量沉积激励流场大尺度涡结构演化发展规律；证实了脉冲能量沉积对射流掺混增强的有效性；发现了以射流剪切层内饱和涡结构发展的平均速度为特征速度，无量纲化的激励频率在0.22附近时，激励流场射流掺混增强效果最佳。.（3）实验建成激波/射流剪切层相互作用的实验平台，并引入高频激光器实现脉冲能量沉积进行了射流掺混控制研究，首次证实了高频能量沉积对平行圆管射流与激波作用后掺混的增强效果，以及无量纲激励频率在0.22附近时，可实现最佳的射流掺混增强。