激波诱导边界层分离的研究

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1、分类号密级： 编号： 工学硕士学位论文 激波诱导边界层分离的研究 硕士研究生： 指导教师 ： 学位级别 ： 学科、专业： 所在单位 ： 论文提交日期： 论文答辩日期： 学位授予单位： 蒋旭旭 王革教授 工学硕士 航空宇航推进理论与工程 建筑工程学院( 航天工程系) 2 0 0 6 年1 2 月I o 日 2 0 0 6 年1 2 月2 4 目 哈尔滨工程大学 哈尔滨工程大学硕士学位论文 捅要 激波与边界层相互作用在高速飞行中无所不在，通常发生在飞机、导弹 和火箭的内、外流场，激波诱导的边界层分离常带来如流道雍塞等诸多棘手 问题，是当今热点研究课题之一 本文针对二维平板楔结构，数值模拟了由尖楔产

2、生的激波冲击平板诱导 平板边界层产生分离的现象。通过分别改变来流马赫数J I f 。及楔角口以改变入 射激波强度，计算并比较了不同强度入射激波与平板边界层相互干扰的情况 通过数值模拟，分别得到了层流边界层和湍流边界层分离条件、壁面参 数分布规律、干扰点后激波系结构及湍流边界层厚度变化趋势。结果表明， 除入射激波强度外，边界层厚度也是影响湍流边界层分离的主导因素；当湍 流边界层发生分离时，干扰点后的边界层可能增厚，可能不变也可能变薄； 分离区近壁温度可能降低；在同一楔角的情况下，随着来流马赫数的增加， 第一道和第二道反射激波的相对位置发生改变，由平行变为相交。 在简单的二维平板楔结构研究的基础上

3、，本文还进行了超燃冲压发动机 进气道内边界层分离的数值分析，为解决航空航天领域的一些工程实际问题 提供了理论参考。 关键词：激波边界层相互作用；边界层分离；数值模拟；进气道 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 A b s t r a c t S h o c k - W a v e B o u n d a r y - L a y e rI n t e r a c t i o ni su b i q u i t o u si nh i g h s p e e df l i g h t , o c c u r r i n gi na na l m o s tl i m i t l e s sn u m b

4、 e ro fe x t e r n a la n di n t e r n a lf l o wp r o b l e m s r e l e v a n tt oa i r c r a f t ，m i s s i l e s ，a n dr o c k e t s T h a tt h es e p a r a t i o no fb o u n d a r yl a y e r i n d u c e db ys h o c kw a v ec a u s e sas e r i e so fp r o b l e m ss u c ha sf l o w i n gb l o c k

5、i na i r p a s s a g ei sw o r t hs t u d y i n g T h es e p a r a t i o no fb o u n d a r yl a y e ri n d u c e db yd i f f e r e n ti n t e n s i t yo fi m p i n g i n g s h o c kw a v eg e n e r a t e db y2 Dw e d g e p l a t ec o n f i g u r a t i o ni sn u m e r i c a l l ys t u d i e di n t h

6、ep r e s e n tp a p e r M a t hn u m b e ro fc o m i n gf l o wa n dw e d g ea l l g l ed e t e r m i n et h e i n t e n s i t yo fs h o c kw a v e T h ei n t e r a c t i o nb e t w e e ns h o c kw a v e s ，w h i c ha r ev a r i e d w i t hM a c hn u m b e ro fc o m i n gf l o wa n dw e d g ea n g l

7、 e ，a n df l a tb o u n d a r yl a y e ri s c o m p a r e da n da n a l y z e d T h es e p a r a t i o nc o n d i t i o n so fl a m i n a ra n dt u r b u l e n tb o u n d a r yl a y e r , t h e d i s t r i b u t i o no ft h ep a r a m e t e r sa l o n gw a l l ，t h ec o n f i g u r a t i o no fs h o

8、 c kw a v e sa n d t h ec h a n g eo ft h i c k n e s sf o rt u r b u l e n tb o u n d a r yl a y e rb e h i n dt h ei n t e r a c t i o np l o t a r ei l l u s t r a t e di nd e t a i l s T h er e s u l t ss h o w , t h et h i c k n e s so ft u r b u l e n tb o u n d a r y l a y e ri s t h ec r u c

9、 i a lf a c t o ro ft h es t a t eo fs e p a r a t i o n ，b e s i d e st h ei n t e n s i t yo f i m p i n g i n gs h o c kw a v e ；t h es e p a r a t i o nm a k e st h et h i c k n e s so ft u r b u l e n tb o u n d a r y l a y e ra tt h ed o w n s t r e a mz o n eo fi m p i n g i n gp o i n tm a y

10、i n c r e a s e ，m a ye q u a l ，o rm a y d e c r e a s e ；t h et e m p e r a t u r ea l o n gw a l ls u r f a c ea tt h ei m p i n g i n gp o i n tm a yd e c r e a s e ； w i t ht h ei n c r e a s eo fm a c hn u m b e rf o rt h ec o m i n gf l o wu n d e rt h ec o n d i t i o no ft h e s a m ew e d

11、g ea n g l e ，t h er e l a t i v ep o s i t i o no ft h ef i r s ta n dt h es e c o n dr e f l e c t i o ns h o c k w a v e sb c c o m ei n t e r s e c t i n gi n s t e a do fp a r a l l e l i n g B a s e do nh e r e i n b e f o r er e s e a r c h , t h ei n t e r a c t i o no fs h o c kw a v e b o

12、u n d a r yi n i n l e tf o rs e r a m j e ti ss i m u l a t e dh e r e T h es t u d yc a nb eu s e da st h e o r e t i c a lr e f e r e n c e o nr e l a t i v ei s s u e si nt h ef i e l do fa v i a t i o na n da e r o s p a c e K e yw o r d s ：S h o c k - W a v e B o u n d a r y - L a y e rI n t e

13、 r a c t i o n ；b o u n d a r yl a y e r s e p a r a t i o n ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；i n l e t 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下， 由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献等的 引用己在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已经注明 引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开 发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律 结果由本人承担。 作

14、者( 签字) ：葛互塑坚二一 日期：2 0 0 6 年1 2 月1 0 日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 工程背景及研究意义 当物体位于高速气流中或在空气中作高速飞行时，物体附近常因气流 压缩而形成的激波，激波的压力梯度变化大，常引起附在物体表面边界层 的分离，下面介绍两例现实存在于航空航天领域的激波与边界层干扰现 象： ( I ) 由于唇口强激波的存在，通常在进气道的隔离段顶板壁的边界 层会发生分离。进气道内的边界层分离使得总压恢复系数减小，影响了进 气道的性能，见图I I 。边界层与激波的相互作用规律是冲压发动机进气 道研制的关键技术之一。 图1 1 冲压发动机进气道图

15、1 2 火箭主体及助推器 ( 2 ) 在火箭的主体与助推器之间，由于飞行时马赫数较大，同样由 于助推器顶部产生了的强斜激波，并与芯级外壁上的边界层发生强烈干 扰，使得火箭的阻力大大增大，见图1 2 。 除以上两类常见的激波与边界层干扰现象，激波诱导边界层分离现象 在高速飞行中无所不在，通常发生在飞机，导弹和火箭的内、外流场。边 界层的分离以及由此引起的失速、壅塞等现象是十分重要的问题。这不仅 因为飞行器及各种流体机械常因失速、壅塞等造成飞行的困难和能量的损 失，也还因为失速和壅塞等使其工作性能降低。 边界层分离如果发生在机翼上将引起失速、飞行阻力增加和机身的抖 哈尔滨工程大学硕士学位论文 振等

16、问题，除了造成大量旋涡，大大增加机械能消耗【4 2 】；当边界层分离 发生在火箭芯级表面时，将显著加大飞行阻力，当激波与边界层的相互作 用加剧时，会引起分离区的扩大，导致火箭的抖振I ”l ；如果边界层分离发 生在冲压发动机的进气道内时，将会弓l 起流场的畸变，流量系数减小，还 会加大气流总压损失，使总压恢复系数降低I “l 。 清楚地掌握流动分离的机理，有效地预测和控制分离是十分重要的， 且具有重大的实用价值。研究激波与边界层的相互作用，既是边界层分离 基础研究的一项重要内容，也是为解决航天航空和军事作业中一些工程实 验问题提供理论基础。由此可见，分离现象的研究，对于推进航空科技发 展，具有一定的现实指导意义。激波与边界层的相互作用的研究，是当今 流体力学、气体动力学和工程热物理学科发展前沿的重大应用基础理论课 题，也是航空航天领域的几大亟待解决的问题之一。 1 2 物理现象及研究方法 激波与边界层相互作用( S h o c k W a v e B o u n d a r y - L a y e rI n t e r