程　川，王成鹏，程克明

(南京航空航天大学宇航学院， 南京 210016)

0　引　言

激波串是超声速/高超声速气流在减速增压过程中出现的一种以激波与附面层干扰为主要特征的复杂流动现象[1]。通常激波与附面层相互干扰使得附面层形态发生变化，产生分离和再附，在管道内形成异常复杂的激波串或伪激波结构。根据来流条件的不同，激波串现象表现出两种不同的流场结构形态：λ型正激波串发生在上游马赫数较低时(1.52.2)。这种激波串现象广泛存在于吸气式高超声速飞行器进气道/隔离段、超声速风洞扩压段和超声速射流装置[2]等部件中，其流动特性与部件的气动设计及性能密切相关。这种激波与附面层干扰产生的分离激波往往会呈现出大尺度的低频振荡，一方面会引起颤振和结构疲劳损坏，产生变化不定的气动力载荷，直接影响飞行器的设计性能和安全；而对于推进系统来说，可能引起燃烧室内燃烧不稳甚至熄火。

至今为止，许多国内外学者对这种复杂多重激波附面层干扰流动结构进行了研究，包括流场结构形态及三维性、压力分布及传播特性、激波串长度和湍流特性等。Gnani等[3]和易仕和等[4]对激波串流场特征中的最新理论、仿真计算、试验技术研究进行了综述性的回顾，比如利用LES[5]、PIV[6]、NPLS[7]等手段细致刻画流动细节，加深了对这种复杂多重激波与附面层干扰流动结构的认识。这种复杂斜激波串的流场结构和动态特性显著地受到上游流动参数和下游反压扰动的影响，田旭昂等[8]和Wang等[9]在Ma5条件下，研究了不同反压增加速度对斜激波串运动的影响，发现反压增加速度对激波串前移速度没有影响。文献[10-11]在Ma5条件下，研究了斜激波串在带复杂背景流场的进气道/隔离段模型中的移动特性，发现背景激波可以增大可承受的背压、减小激波串长度。Xu等[12]通过数值模拟研究了背压变化对斜激波串前移分离特性的影响，发现前缘分离点有快速前移和缓慢前移两种运动形式。但是还没有人设计专门的试验来研究斜激波串与上游激波反射结构相互干扰的作用特征。文献中大多数采用基于压力分布曲线的激波串前缘检测方法，这种激波定位方法获取的激波串前移运动规律是准稳态的，并不能完全反应激波串在前移过程中的湍流特性。

图1　吸气式高超飞行器原理示意图Fig.1　The schematic of air-breathing hypersonic vehicle

本文以吸气式高超飞行器为背景，如图1所示，在实际飞行状态中，前体压缩拐角和进气道唇口的入射激波在进气道、隔离段和燃烧室内形成复杂的反射波系；燃烧室中的支杆等凸起物也会对流场造成干扰。而典型的吸气式高超声速飞行器的实际飞行马赫数为5～7，对应在隔离段内的马赫数为2.5～3左右，内部流动为工程研究中受关注的斜激波串结构。在本文试验研究中，设计选取了Ma=2.7的拉瓦尔喷管，在管道内模拟产生类似吸气式高超飞行器进气道/隔离段内的X型斜激波串结构(Ma>2.2即可)。在管道内安装了斜楔，以在上游流场产生有压力梯度变化的反射波系，对背压条件下斜激波串前移与上游复杂反射波系相互作用的流场特征和运动特性开展了试验研究工作。采用基于灰度变化的图像处理技术对纹影图片进行解算，更精确地获取前移过程中分离激波起始点的位置变化情况。同时，对比了不同长度尺寸的斜楔对管道内上游激波反射结构的影响。

在超声速流场中布置楔块等凸起物的流动现象研究在许多文献中均有描述，文献[13-14]等研究了在非对称来流条件下，带后掠斜楔的短隔离段可以承受更大的反压以及缩短隔离段长度。Babinsky等[15]在Ma2.5条件下研究了不同尺寸的微小楔块型涡流发生器对激波串与附面层干扰特性的控制效果，发现采用涡流发生器可以延迟反射激波在附面层引起的分离。Huang等[16]在Ma3管道流动中研究了由下游压力变化引起带楔块的流场结构变化的迟滞现象，发现下游压力扰动引起的逆压梯度变化在迟滞中起主导作用。Xiong等[17]在Ma3等直管道中研究了激波串的自激振荡过程中出现了上壁面大分离区模式(TLS)和下壁面大分离区模式(BLS)的相互切换，发现这种切换是随机产生的，引起分离偏转切换的原因尚不明确，无法预测发生切换的位置和时间，此外这种切换现象也是在没有背景激波干扰情况下研究的。而在本文试验中，斜激波串在背压条件下前移经过上游内置斜楔产生的复杂激波反射结构时，同样出现了分离偏转切换现象。发现了这种斜激波串的分离偏转切换现象是固定发生的，与上游激波流场的干扰特性有关。

1　试验模型

试验在南京航空航天大学高超声速风洞实验室中进行，图2为模型示意图，主要由二维对称喷管段和等直段组成。采用了直连方式，喷管上游与风洞的高压气源连接，通过总阀和调压阀控制，等直段下游直接连通于室内大气环境。其中，拉瓦尔喷管的设计马赫数为2.7，考虑了壁面黏性修正的影响，拉瓦尔喷管的进出口等高均为45.1 mm。等直段的总长度为400 mm，下壁面设计了0.5°的外扩张角以进行沿流向发展的附面层干扰修正，出口高度为48.6 mm。模型纵向宽度为40 mm，两侧壁面布置了尺寸为360×50 mm2的光学玻璃纹影观察窗口，上壁面布置了尺寸为120×20 mm2的PIV测量系统的激光片光入射窗口，下壁面中心线位置沿流向等间距的布置了40个壁面静压测点。本文中选取拉瓦尔喷管的喉道中心位置为参考坐标原点，沿流向为正。在管道的上壁面布置了三种不同长度尺寸的等宽度平直斜楔，分别为L1=40 mm,L2=30 mm,L3=20 mm, 其中楔角均为10°，前缘起始位置均位于x=87 mm。试验中通过改变上下游压比Pb/P0(改变来流总压P0，下游反压Pb保持不变)来调节激波串在等直段中的位置，其中上游总压最高可达800±0.5 kPa，试验中总压变化范围为450～250 kPa，总温为290±1.5 K，单位雷诺数为1.2×107。

图2　模型示意图Fig.2　Model diagram

试验中纹影系统为Ф200 mm的双镜式反射纹影，采用FASTCAM系列高速相机进行拍摄，采集频率为5 kHz，曝光时间为1/10000 s，采样图片像素为640×640 pixel。粒子图像测速(PIV)系统采用Dantec公司的Vlite-500双脉冲激光器和10F01型固态粒子发生器，CCD相机分辨率为2048×2048 pixel，试验中拍摄频率为10Hz，投放的示踪粒子为二氧化钛粉末，PIV系统对流场速度的测量精度约为2%。在模型下壁面的中心线位置上沿流向方向共布置了14个动态压力测点(T1～T14)，其坐标位置如表1所示。采用了两种量程(0～25 psi和0～50 psi)的Kulite XTEL-190M系列的高频动态压力传感器，该类传感器的固有频率为300 kHz，综合精度为± 0.5% F.S，试验中采集频率均为10 kHz。

为了精确获取斜激波串的位置，采用基于灰度变化的图像处理技术进行斜激波串在上下壁面分离激波起始点的定位，计算精度与试验中拍摄的纹影图片的频率和像素有关，本文试验中所获取的斜激波串前移过程中分离起始点位置的计算精度优于0.3 mm，计算频率为5 kHz。

表1　下壁面各传感器坐标位置Table 1　The location of 15 transducers at lower wall

2　试验结果分析

2.1　内置斜楔的等直段内流场结构

图3给出了在等直段内无斜楔和内置斜楔时完全起动的瞬态流场纹影图和PIV结果。无斜楔时，管道内主流为均匀超声速流动状态，流场中核心区主流速度约为580 m/s，附面层厚度为3 mm左右。内置斜楔时，在管道中形成了复杂的上游激波反射结构。超声速主流在斜楔前缘压缩拐角处产生一道初始激波，初始激波入射到下壁面引起边界层厚度增加，形成了一个由激波诱导产生的分离区(S3)，分离区向下游发展、再附[18]。在斜楔的尾部也产生明显的流动分离(S1)，向下游发展、再附，剪切层也可清楚观察到。同时，在斜楔尾部顶点处出现一簇膨胀波系。由于上下壁面分离区的存在，分别形成分离激波和再附激波、激波的相交和反射，在上下壁面分别形成反射点S2和S4。PIV结果也观测到内置斜楔时在上下壁面存在着分离区，初始激波和膨胀波系可清楚捕捉到。

2.2　斜激波串与上游激波干扰的两种分离模式

图3　无斜楔和内置斜楔时完全起动流场纹影图和PIV图Fig.3　Schlieren and PIV images at fully started flow with/without ramp in the duct

研究表明，当管道流动中马赫数较高时，激波串通常会呈现出非对称的分离偏转现象，即一侧出现大尺度分离区，另一侧出现小范围的分离和再附。这种非对称的分离偏转现象在对称管道中也广泛存在和随机发生，分为上壁面大分离区(TLS)和下壁面大分离区(BLS)两种模式。本文中内置斜楔时，斜激波串在与上游激波反射结构相互干扰中观察到了两种不同形式的分离偏转现象，如图4(a)和图4(b)中纹影结果所示，斜楔L3=20mm，Pb/P0分别为0.253和0.281，上下壁面两道分离激波相交为规则反射。其中，在图4(a)中，分离激波在下壁面形成大尺度的分离区，而在上壁面为小尺度的分离包，整个斜激波串呈现出非对称特征且偏转贴近于上壁面，为下壁面大分离区模式(BLS)。而在图4(b)中，斜激波串的分离偏转现象与图4(a)中相反，为上壁面大分离区模式(TLS)。

图4　两种不同分离偏转形态的斜激波串纹影图Fig.4　Schlieren images of two flow separation modes

2.3　斜激波串前移运动中的分离偏转切换现象

图5　压力测点随时间变化曲线Fig.5　Pressure time histories of the transducers

随着下游压比Pb/P0逐渐增大，斜激波串在等直段内逐渐向上游激波流场区域移动。图5给出了在内置斜楔L3=20 mm时，下壁面T1，T2和T14等测点随时间变化的压力分布曲线。上游总压P0由425 kPa线性的逐渐降低到275 kPa，整个变化过程持续约4 s，可分为流场完全起动、下壁面大分离区模式(BLS)、上壁面大分离区模式(TLS)和流场不起动四个阶段。

图6　斜激波串上下前缘分离点位置随时间变化曲线Fig.6　Time histories of the separation shocks locations

图6为斜激波串在上壁面的分离激波前缘起始点位置St和下壁面的分离激波前缘起始点位置Sb随时间变化的曲线图。与图4中斜激波串与上游激波反射结构干扰出现的BLS模式和TLS模式阶段相对应。

图7　斜激波串上下壁面分离起始点位置随时间变化曲线Fig.7　Time histories of the separation shocks locations

在斜激波串表现为BLS模式阶段(0.65 s

由于上下分离激波起始点St和Sb在周期性振荡运动中的差异性，斜激波串的非对称性特征发生变化。当位于周期性振荡的最下游位置时，上下分离起始点St和Sb的水平间距Δx最大，斜激波串的非对称性特征更加显著；随着整体往上游移动时，Δx逐渐减小，这种非对称性特征逐渐减弱。当位于周期性振荡的最上游位置时，斜激波串变的相对为对称的，此时上、下分离点St和Sb几乎在同一水平位置。

图8　Pb/P0=0.268时流场纹影图Fig.8　Schlieren images at Pb/P0=0.268

在t=1.77 s附近，当来流总压P0降低到了临界值360 kPa时，斜激波串的分离偏转方向发生改变，由前一阶段的BLS模式切换到TLS模式，如图9中分离点的轨迹和图10中纹影结果所示。上、下壁面分离激波起始点St和Sb均快速前移，斜激波串的非对称性分离偏转发生切换后，整体继续往上游运动，直至上壁面分离起始点St与S1汇合，下壁面分离起始点Sb与S2汇合。整个分离偏转切换过程非常迅速，持续时间约为8 ms，上、下壁面分离起始点St和Sb在斜激波串前移分离偏转切换过程中的平均速度分别为12.5 m/s 和9.2 m/s。

图9　斜激波串上、下壁面分离起始点位置随时间变化曲线Fig.9　Time histories of the separation shocks locations

图10　Pb/P0=0.279时流场纹影图Fig.10　Schlieren images at Pb/P0=0.279

图11　斜激波串上下分离起始点位置随时间变化曲线Fig.11　Time histories of the separation shocks locations

图12　Pb/P0=0.284时流场纹影图Fig.12　Schlieren images at Pb/P0=0.284

在斜激波串表现为TLS模式阶段(1.78 s

如图13所示，斜激波串在背压条件下前移与上游激波反射结构相互干扰的过程可描述为在非分离区，伴随着小幅值周期性振荡的缓慢前移；在分离区，非对称分离偏转的切换和快速前移。斜激波串上下分离激波起始点在前移中各阶段的平均速度如表2所示。由于管道内单侧斜楔所引起的上游激波反射结构的不对称，上下壁面的压力梯度变化的峰值出现差异性，导致上下分离激波起始点在背压条件下前移运动速度的不同，斜激波串的非对称性特征也发生了分离偏转切换，整个切换过程十分迅速，斜激波串快速前移。在与上游激波流场的相互作用过程中，斜激波串也经历了由非对称结构向上壁面分离偏转到基本为对称结构、非对称结构向下壁面分离偏转的变化过程。

图13　纹影、压力分布和分离点位置对应图Fig.13　Schlieren image, p/P0 and separation shock locations

平均速度BLS切换过程TLSVSt/(m·s-1)0．03512．90VSb/(m·s-1)0．0179．20．039

2.4　斜楔长度尺寸对上游激波流场的影响研究

图14给出了三种内置斜楔长度尺寸分别为L1=40 mm,L2=30 mm,L3=20 mm时上游激波反射结构的纹影对比图。结果表明：同等楔角在流场中斜楔前缘起始点位置产生了相同强度的初始激波；随着斜楔长度尺寸的增加，在斜楔后缘的分离区以及初始激波在下壁面附面层诱导的分离均逐渐变大。随着下壁面分离包的变大，分离激波起始点呈现出微小的向上游移动的趋势，而再附激波起始点呈现出微小的向下游移动的趋势，分离激波和再附激波的间距逐渐变大。上壁面再附激波在下壁面的反射点往下游位置移动，而下壁面再附激波在上壁面的反射点往上游位置移动；由斜楔尾部顶点处发展的扇形膨胀波系的区域也逐渐减小。

图14　不同斜楔长度的上游激波流场纹影图Fig.14　Background flow field at different length of ramps

图15　不同斜楔长度的沿程压力分布曲线Fig.15　Pressure distributions at different length of ramps

图15给出内置斜楔时下壁面沿程压力分布情况。入射激波在下壁面附面层诱导产生了分离区，压力分布曲线出现一个峰值，形成了一段具有顺压梯度和逆压梯度特征的区域。随着斜楔长度尺寸的逐渐增大，下壁面激波诱导的分离区的前后压升逐渐增加，这与分离包随斜楔长度增加而逐渐变大的规律是一致的。这是因为随着斜楔长度增加，斜楔的高度也随之变大，在管道流动中产生了更大的阻塞度；在相同的初始激波强度下，下壁面分离激波和再附激波的强度基本保持不变，而上壁面再附激波的强度逐渐增强，由上下壁面分离、再附激波的相交点和反射点均逐渐向流场中下游位置发展，由斜楔尾部产生的膨胀波系逐渐增强。

3　结　论

本文对斜激波串在内置斜楔的管道内前移过程进行了风洞试验研究，分析了在背压条件下斜激波串前移与上游激波反射结构相互作用时的分离偏转切换现象和运动特性，得出以下结论：

1) 内置斜楔在管道内能诱导产生分离区，形成有顺压梯度和逆压梯度特征的复杂激波流场。

2) 随着Pb/P0的增大，斜激波串在背压条件下前移与上游激波反射结构相互干扰的过程为在非分离区，伴随着小幅值周期性振荡的缓慢前移；在分离区，出现非对称结构由BLS模式向TLS模式切换，在切换过程中表现为快速前移。

3) 在相同的斜楔前缘起始点和楔角时，随着内置斜楔长度的增大，斜楔诱导产生的分离区也逐渐变大，上游激波流场更强烈，斜激波串在前移与上游激波反射结构相互作用过程中出现不同的流场结构。

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