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2022年  第7卷  第6期

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气体物理 第7卷 第6期 封面+目录
2022, 7(6): .
53 12
摘要:
激波与复杂流动专题
极端条件两相界面流与反应流机理、模型与算法研究进展
王兵, 范文琦, 徐胜, 高瞻
2022, 7(6): 1-32. doi: 10.19527/j.cnki.2096-1642.0941
184 HTML 49 16
摘要:
清华大学喷雾燃烧与推进实验室长期专注于极高速、强可压和高瞬变等极端条件下的两相流和反应流前沿科学问题，并致力于应用基础研究成果解决航空航天动力与推进系统的关键技术难题。综述了实验室近些年在极端条件下两相流动和含化学反应流动物理机理、数理模型与数值算法等方面的研究进展。首先，介绍了实验室发展的耦合高瞬变相变过程的强可压缩气液两相界面流的数理模型和高精度数值方法，以及针对激波受气液（曲）界面约束情况下，描述非定常激波透射/反射（如波角、波强等物理量关系）的激波动力学分析方法。其次，基于上述模型、算法与分析方法，实验室研究了激波液滴相互作用、高速液滴撞击壁面等一系列问题，解析了上述高瞬变过程中复杂波系与界面的时空演化过程。以被激波或壁面冲击的液滴内流体空化初生为例，揭示了曲界面汇聚膨胀波诱导流体空化的机理，推导了预测空化初生位置的理论公式。最后，介绍了面向发动机燃烧室内的强可压缩两相喷雾反应流动，实验室开发了基于Euler-Lagrange框架的高性能数值仿真软件TURFsim，并成功用于真实复杂几何结构的航空发动机燃烧室和超声速燃烧室的数值模拟。以典型的超声速混合层流动数值模拟为例，总结了斜激波增强混合层混合特性的规律及其物理机理，获得了极限条件火核生成及火焰的传播模式与机理，详细分析了液雾弥散与蒸发、小激波和局部爆震波的时空演化特性，提出使用"第三Damköhler数DaⅢ"定量表征燃烧模式，应用该无量纲参数成功进行了局部准等容燃烧过程的辨识与演化分析。上述研究结果对于航空航天发动机燃烧室复杂物理过程的理解及工程设计具有重要价值。
超声速混合层MHz级超高频流动可视化实验
冈敦殿, 易仕和, 米琦, 陆小革
2022, 7(6): 33-41. doi: 10.19527/j.cnki.2096-1642.0989
190 HTML 48 13
摘要:
研究发展了超高频基于纳米示踪的平面激光散射（nano-tracer planar laser scattering，NPLS）技术。基于多腔并联脉冲激光器技术、棱锥分光与短曝光相机集成技术以及高精度同步控制技术，实现了MHz级流场可视化和精细测量。采用超高频NPLS技术研究了对流Mach数Mac=0.17，0.26混合层流场，获得了时间序列的混合层高分辨率NPLS图像。采用阵列型涡流发生器开展流动控制研究，分析涡流发生器对混合层发展的影响特性。通过选取典型涡结构，分析了超声速混合层不同发展阶段的涡运动和发展演化规律。发现混合层中段的不稳定性发展阶段，涡结构以平移和旋转为主，伴随一定的拉伸；混合层后段以变形和破碎为主，有大量小尺度结构产生。并且小尺度结构会受到剪切、大尺度结构以及小激波的影响，发生明显的非定常运动。
基于弯曲激波特征线法的两级压缩内收缩流场设计与分析
汤祎麒, 施崇广, 郑晓刚, 朱呈祥, 尤延铖
2022, 7(6): 42-54. doi: 10.19527/j.cnki.2096-1642.0954
126 HTML 52 16
摘要:
进气道是超声速飞行器的关键部件，设计核心是无黏超声速流场的确定，而波系结构又直接决定了流场的性能。考虑到实际应用价值，基于给定激波的超声速流场反设计至关重要。传统单道入射波的流场结构简单，压缩效率不高，且传统特征线法（method of characteristics，MOC）无法获得高阶的气动参数。为了拓展设计思路，首先利用弯曲激波特征线法展示了内收缩超声速流场不同的单元过程，随后基于此法提出了一种已知入射和反射激波的两级压缩内收缩流场的概念及反设计方法。基于此法设计的基准流场与数值模拟结果吻合良好，双入射激波可以提高压缩效率并缩短长度，能够实现波系结构和出口参数的分布可控，在非均匀来流条件下也能得到相应型面。在给定激波的条件下，求解分析了一系列具有中心体的轴对称流场，讨论入射和反射激波激波角分布对流场气动参数和几何参数的影响。弯曲激波特征线法的精确性和有效性使其成为平面/轴对称超声速流场反设计的良好候选。
反应性RM不稳定混合特性研究: 反应活性与介质不均匀性的影响
汪洋, 董刚
2022, 7(6): 55-62. doi: 10.19527/j.cnki.2096-1642.0932
147 HTML 44 8
摘要:
预混火焰界面的RM（Richtmyer-Meshkov）不稳定现象在自然界和工程实践中十分常见，但目前关于反应性RM不稳定的研究主要集中于均匀介质的情况，而实际中的预混气体往往是非均匀的，因此开展非均匀介质中火焰界面演化和混合特性的研究十分必要。采用带单步化学反应的Navier-Stokes方程和高精度数值格式，研究了预混火焰界面在入射激波及反射激波作用下的RM不稳定过程，考察了化学反应活性以及介质非均匀性对RM不稳定过程中火焰界面混合特性的变化规律的影响。结果表明，在入射激波作用后的阶段，在均匀介质中的火焰界面形态呈现典型的"钉-帽-泡"结构，化学反应活性越强，界面的"泡"结构和"钉-帽"结构增长越快；而在非均匀介质中，火焰界面形态则呈现"钉-钉"结构，界面在流向速度差的诱导下被更大程度地拉伸。在第一次反射激波作用后的阶段，混合区的增长速率不依赖于反应活性和均匀性，仅与流动特性有关。时间尺度的研究表明，大尺度流动是反应性RM不稳定的主导因素，其次是化学反应，最后是小尺度混合，化学反应的强化会抑制大尺度流动，非均匀性会强化大尺度流动。
研究论文
扰流板作用下湍流/非湍流界面特性
李思成, 王晋军, 潘翀, 刘沛清
2022, 7(6): 63-73. doi: 10.19527/j.cnki.2096-1642.0966
195 HTML 52 15
摘要:
在零压梯度平板湍流边界层流动中安装垂直流向高度为h的扰流板，诱导流场产生横向涡，研究横向涡影响下湍流/非湍流界面特性沿流向的发展。结果表明，在本实验条件下，整个流动经历了从湍流边界层到流动分离和再附，再向湍流边界层恢复的过程。在扰流板下游约18h距离后，扰流板尾迹的影响逐渐衰退，壁面剪切对湍流强度的贡献开始逐渐恢复，在扰流板下游约55h距离后，湍流边界层再次充分发展。与此同时，由于扰流板后流场流动结构拟序性的增强，湍流/非湍流界面的分形维度受扰流板影响而减小，表明脱落涡有使界面多尺度特性、三维性减弱的趋势。此外，界面高度的概率密度分布受扰流板影响呈现显著的右偏，主要与扰流板增强喷射运动强度，使得界面更容易抬升相关。流动结构及界面特性受扰流板影响后的流向演化有同步变化的模式，扰流板对界面特性影响主要集中于（-5~18）h的流向范围。
导弹超声速尾退分离干扰特性试验
伍彬, 傅建明, 胡珊, 蔡天星, 鲍然, 谢峰, 魏忠武
2022, 7(6): 74-84. doi: 10.19527/j.cnki.2096-1642.0965
260 HTML 51 59
摘要:
超/高超声速尾退分离在防热、保形、隐身、多次投放、回收等方面具有明显优势，有望成为高超声速飞行器载荷投放的优选方案。由此面临一类新的多体分离问题：超/高超声速尾退分离问题（aft super/hypersonic ejection separation，ASES）。超/高超声速尾退分离问题本质上是带空腔底部流动与多体分离构成的耦合问题，具有流场结构复杂、气动非定常非线性非对称效应显著的特点。针对超声速尾退分离问题，采用网格测力和轨迹捕获（captive trajectory system，CTS）风洞试验方法探索了尾退分离干扰流场的结构，发现可根据流场结构和舵效变化分为低速-亚声速无激波、高亚声速-跨声速弱激波、超声速激波和准自由流弱干扰4种典型干扰特征，揭示了尾流场影响后不同区域的全弹气动特性和舵效特性以及控制律、攻角、高度和Mach数对分离位移和姿态的影响规律。相关结论将有助于增强对尾退分离问题的认识，对尾退分离技术的工程实践具有参考价值。

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