【摘 要】
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在高超声速进气道内流场中,激波-边界层相互作用不但能带来热流峰值和压力脉动,还能造成进气道边界层增厚、产生附加气动收缩比、引发流场畸变,导致壅塞和进气道不起动等问题,而
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在高超声速进气道内流场中,激波-边界层相互作用不但能带来热流峰值和压力脉动,还能造成进气道边界层增厚、产生附加气动收缩比、引发流场畸变,导致壅塞和进气道不起动等问题,而燃烧室背压通过边界层前传会加剧进气道边界层的分离。磁流体(MHD)技术极可能会成为一种控制分离的有效途径。为了研究MHD加速边界层对激波-边界层相互作用的影响,发展了低磁雷诺数近似的磁流体动力学方程计算程序,其二维求解器采用高阶有限差分法,三维求解器采用有限体积法。首先对程序进行了大量的算例验证。然后,利用其二维高阶有限差求解器,对MHD控制激波-平板边界层相互作用的机理进行了系统的数值研究,得到了各种因素对分离区流场影响的规律。利用程序的三维有限体积法求解器,对高超声速进气道分离区流场结构进行了数值模拟,并开展了MHD控制边界层分离区的数值探索研究。结论如下:
⑴对低磁雷诺数磁流体流动,程序的计算结果与理论解和经典的计算结果符合良好。
⑵程序的二维高阶差分求解器能捕捉到激波-边界层相互作用时分离区内部的多涡系结构,三维有限体积法求解器能准确计算高超声速进气道流场结构,其中,粘性计算的结果与实验结果符合良好,无粘计算的结果和Fluent计算的结果符合良好。
⑶相同作用强度下,湍流分离区尺寸比层流分离区尺寸小,抵抗逆压梯度的能力更强,稳态流场更容易建立。随着激波-边界层相互作用强度的增加,分离区涡系趋复杂,脱体涡增多,非定常性增强。
⑷MHD加速边界层能消除二次分离,使分离点位置向流场下游推迟、再附点位置向流场上游提前、分离区尺寸减小。
⑸MHD加速边界层不仅能改变边界层速度型面,减薄边界层位移厚度,还能消除分离带来的流场畸变,当分离被完全消除时,流场波系和无粘波系非常接近。
⑹MHD作用区域位置越接近激波与壁面的交点,分离区尺寸越小,控制效果越显著。
⑺无控制时,进气道存在很大的分离区,通过MHD加速边界层,成功消除了进气道肩部的边界层分离区。
⑻理论研究方面,发展了MHD加速超声速边界层的理论模型,并用CFD进行了验证。验证表明,理论模型计算的边界层速度型面和CFD计算的结果基本符合,改进后的理论模型计算的结果和CFD符合更好、误差更小。
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