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超声速进气道起动与不起动的流动特征结构的机理分析

陈雅倩 胡科琪 王高峰

陈雅倩, 胡科琪, 王高峰. 超声速进气道起动与不起动的流动特征结构的机理分析[J]. 气体物理, 2023, 8(5): 28-37. doi: 10.19527/j.cnki.2096-1642.1047
引用本文: 陈雅倩, 胡科琪, 王高峰. 超声速进气道起动与不起动的流动特征结构的机理分析[J]. 气体物理, 2023, 8(5): 28-37. doi: 10.19527/j.cnki.2096-1642.1047
CHEN Ya-qian, HU Ke-qi, WANG Gao-feng. Mechanism Analysis of Start and Unstart Flow Characteristic Structures of a Supersonic Inlet[J]. PHYSICS OF GASES, 2023, 8(5): 28-37. doi: 10.19527/j.cnki.2096-1642.1047
Citation: CHEN Ya-qian, HU Ke-qi, WANG Gao-feng. Mechanism Analysis of Start and Unstart Flow Characteristic Structures of a Supersonic Inlet[J]. PHYSICS OF GASES, 2023, 8(5): 28-37. doi: 10.19527/j.cnki.2096-1642.1047

超声速进气道起动与不起动的流动特征结构的机理分析

doi: 10.19527/j.cnki.2096-1642.1047
基金项目: 

国家重大科技专项 J2019-Ⅲ-0006-0049

详细信息
    作者简介:

    陈雅倩(1998-)女, 硕士, 主要研究方向为计算流体力学。E-mail: yaqian@zju.edu.cn

  • 中图分类号: V211.3

Mechanism Analysis of Start and Unstart Flow Characteristic Structures of a Supersonic Inlet

  • 摘要: 基于Wagner等实验的超声速进气道模型, 采用RANS-SST计算方法分析超声速进气道起动和不起动流场特性。通过拓宽计算域和采用来流边界层自由发展方法, 准确预测了典型的进气道不起动过程中可能出现的周期性振荡流现象, 包括进气道内部高压的产生和降低、下壁面大尺度分离泡的膨胀收缩和迁移, 并伴随不起动激波的传播。进气道完全起动状态(末端活门挡板角度β=0°)时得到的波系结构、壁面压强和流向速度分布计算结果与实验测量值相吻合; 不起动状态(β=28°)时流场的振荡周期和振幅与实验结果一致。对进气道不起动的非定常流场进行动态模态分解, 发现了3个特征频率: 主频f1=69.8 Hz的流场模态揭示了进气道出口的压强振荡最强, 而入口及上壁面的速度振荡最强; 二倍频f2=139.7 Hz和三倍频f3=209.5 Hz捕捉到的流场模态主要是离散的小尺度高能结构。在不起动状态的振荡过程中, 进气道入口外部流场产生了较大的速度和压力脉动, 所以对进气道内外流场相互作用的准确描述是预测不起动状态振荡流动的重要因素。

     

  • 图  1  进气道示意图和实物图[7]

    Figure  1.  Schematic drawing and physical drawing of the inlet[7]

    图  2  计算模型

    Figure  2.  Computational model

    图  3  不同网格的壁面压强分布曲线

    Figure  3.  Wall pressure distribution curves under different grid resolutions

    图  4  对称面上T1处流向速度分布

    Figure  4.  Flow velocity distribution at T1 on the symmetry plane

    图  5  进气道对称面纹影图和压强分布

    Figure  5.  Schlieren diagram and pressure contours at symmetry plane of the inlet

    图  6  激波和湍流边界层相互作用流场结构

    Figure  6.  Flow field structure of interaction between shock waves and turbulent boundary layer

    图  7  流向速度

    Figure  7.  Streamwise velocity components

    图  8  不同位置流向速度分布曲线

    Figure  8.  Streamwise velocity profiles at several locations

    图  9  T7点压强随时间变化曲线

    Figure  9.  Time history of pressure at T7

    图  10  进气道在不同β下的平均压强分布

    Figure  10.  Average pressure contours of the inlet at different angles of β

    图  11  不同β下壁面平均压强分布曲线

    Figure  11.  Average wall pressure distribution curves at different angles of β

    图  12  β=28°时T7点压强的实验[6]与计算结果对比

    Figure  12.  Comparison of pressure history at T7 between experimental[6] and simulation results for β=28°

    图  13  β=25°的进气道对称面压强分布随时间的变化

    Figure  13.  Time history of pressure distribution on the symmetry plane of the inlet at β=25°

    图  14  β=25°的进气道对称面流线随时间的变化

    Figure  14.  Time history of streamlines on the symmetry plane of the inlet at β=25°

    图  15  DMD频谱分布

    Figure  15.  DMD spectrum distribution

    图  16  频率f1对应DMD模态的幅值和相位(压力场)

    Figure  16.  Amplitude and phase of DMD mode at frequency f1(pressure field)

    图  17  频率f1对应DMD模态的幅值和相位(速度场)

    Figure  17.  Amplitude and phase of DMD mode at frequency f1 for velocity

    图  18  f2f3对应DMD模态的幅值(压力场)

    Figure  18.  Amplitudes of DMD modes at frequencies f2 and f3(pressure field)

    表  1  进气道自由来流参数[7]

    Table  1.   Freestream parameters of the inlet[7]

    Tt/K Pt/MPa Ma V/(m/s)
    330 2.5 4.9 740
    下载: 导出CSV

    表  2  网格参数

    Table  2.   Grid parameters

    case total elements initial layer thickness/mm
    grid 1 5.94×105 0.08
    grid 2 9.86×105 0.08
    grid 3 1.469×106 0.05
    grid 4 2.243×106 0.05
    下载: 导出CSV

    表  3  不起动激波的平均传播速度

    Table  3.   Average propagation speed of unstart shock

    β/(°) shock speed/(m/s) oscillatory period/ms oscillatory frequency/Hz
    25 79.01 14.5 68.96
    28 92.15 9.5 105.26
    下载: 导出CSV
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  • 收稿日期:  2023-03-21
  • 修回日期:  2023-04-12

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