刘 海，姚朝晖

（清华大学 航天航空学院，北京100084）

0 引 言

欠膨胀超声速冲击射流在许多工程技术领域得到广泛的应用，如STOVL（Short Take Off and Vertical Landing）飞行器起飞和着陆、火箭的发射，以及除尘、除水等工程问题；而且其流场结构复杂，激波和涡之间存在着强烈的相互作用。因此无论是工程应用还是基础研究，冲击射流都极具研究价值［1－3］。

Alvi［1］等通过实验给出了不同工况下的流场阴影图和壁面上的压强分布曲线，并指出冲击平板上的压强脉动的主频与冲击单音的频率相同。姚朝晖等［3］利用纹影和高速摄影技术发现在马赫盘出现之前，冲击射流的流场是整体振荡的；而马赫盘出现之后，流场振荡局限于马赫盘与冲击平板之间。Henderson［4］讨论了在高度欠膨胀工况下流场的冲击单音的存在与马赫盘出现位置的关系，观察到了流场的环形激波的生成和消失，给出一些瞬时脉动流场的涡的信息，并对反馈环进行了新的论述。

图1为高度欠膨胀（来流总压p0跟环境压强pa的比值NPR大于3.8）冲击射流的流场示意图。由于RANS只能得到流场的平均场的信息，而相比实验LES可以获得更丰富的流场信息，所以本文使用大涡模拟对高度欠膨胀的超声速冲击射流的流场进行了数值模拟，主要是对流场的振荡、内外剪切层之间的环形激波的生成和消失过程以及内剪切层的涡结构的演化进行了仔细的研究。

图1 高度欠膨胀冲击射流流场示意图Fig.1 A schematic of the highly underexpanded supersonic impinging jet

1 数值模拟方法

首先对柱坐标系下的三维可压缩非定常NS方程进行基于密度的加权过滤［5］：