高超声速流动关键物理现象研究

多尺度、多种物理现象相互耦合、复杂空气动力学问题一直是困扰高超声速飞行技术研究中的关键问题之一。由于真实的高超飞行环境在地面实验设备中再现存在巨大困难，相应的数值模拟研究可以与地面试验相互配合，弥补后者的不足。在以往关于高超声速流动中非典型激波作用的多年研究积累的基础上，本研究继续深化激波-激波、 激波-边界层相互作用研究，探讨其中的特殊物理现象，特别关注上述现象对高超声速飞行器结构的气动性能的影响及其机理。研究方法主要依靠高温高超声速流动数值模拟技术。由于大部分地面实验存在先天性缺陷- - 无法复现高超声速飞行环境的全部关键参数，而且，很难模拟起、停和变速等动态过程，这无疑将给飞行器结构气动力／气动热性能的研究带来不确定性。本计划也将通过数值计算和比较研究，探讨地面实验参数偏差对流动形态（例如激波-激波、激波-边界层干扰）的关键性影响，讨论变速等动态过程中关键物理现象的非定常特性。

高超声速飞行器的流动中，其复杂的流体物理现象涵盖了激波—激波相互作用、激波—边界层相互作用，甚至伴随着激波作用波形转捩现象，而且这些复杂的相互作用甚至是以高温真实气体效应为背景的。简而言之，在这类流动中，热力学与化学非平衡、强间断与湍流这几块流体力学中的“顽石”强耦合在一起。吸气式高超声速飞行器的正常运行依赖于进气道激波系的建立与匹配。X-51三次飞行实验都不成功说明了一个事实：尽管吸气式高超飞行器的相关研究已经进行了多年，但是在其中最基本的科学问题——在激波动力学方面，仍然存在没有解释清楚的关键物理现象。具体说来，激波规则反射的理论转捩准则存在一个激波作用的双解区，这使得吸气式高超声速飞行器进气道流场的激波结构存在不确定性。另外，进气道复杂的边界条件以及边界层的存在，加剧了激波形态的复杂性和不确定性。本项目研究的重点是吸气式高超声速飞行器相关激波动力学的关键物理现象的动态特性。.本项目属于主任基金项目，资助周期为2012年，在这一年时间内，按照项目计划书的规划，完成了以下几点研究内容。（1）针对高超声速非平衡流动中的强激波现象，改进了研究者开发并长期使用的数值计算格式，消除了非物理振荡等数值不稳定性。改进后的格式，通过与研究者所在课题组的激波-膨胀管试验进行了对比，得到了验证。（2）通过数值分析发现，在吸气式飞行器进气道在动态调控过程中，激波项目作用波形存在波形转捩现象，此非定常转捩过程给飞行器气动力性能和发动机性能带来了不确定性。而且，此转捩过程还存在驰豫现象，即转捩点在增加和减小两个方向上并不重合。（3）模拟了X-51燃料乙烯-JP7切换过程，发现燃料泡与激波作用引起的完全相反的流动特征，JP7燃料泡更容易破碎和混合。（4）针对进气道边角处的激波作用，研究了几何参数对激波波形结构的影响，以及层流/湍流边界层效应，发现两者对激波总体波形结构影响不大，但前者对总压恢复影响更严重。.本项目取得了以下成果：发表了6篇学术论文，其中1篇被SCI收录、2篇被EI收录，另外3篇在国际或者区域性学术会议上发表，其中1篇为邀请报告。