一种激波增强管壁型线设计方法

摘要

激波管中生成强激波具有重要的学术和工程应用价值。通常的激波管驱动技术主要通过增加驱动段的压力和声速来提升驱动能力,然而生成的激波强度有限。为了克服这一局限性,在被驱动段中采用面积收缩方法可以非常有效地提升激波强度,特别是实验初压不宜过低的情况。常规的收缩管道中会产生复杂的激波-壁面干扰,不仅降低激波的增强效果,而且严重影响激波面和波后气流参数的均匀性。收缩段壁面型线的几何优化方法可以减弱复杂干扰,但更期望能够建立一种理论或者壁面型线设计方法来最大限度地消除复杂扰动,从而得到波后流场均匀的平面强激波。面对这种需求,本文进行了以下工作:
　　1.发展了激波动力学反设计二维激波增强壁面型线的理论方法,设计出一种“凹形-斜-凸形”壁面型线的收缩段,使得初始平面激波经过收缩段的增强之后,还能恢复成波后均匀的较完美平直形状。针对该反设计理论方法的一个典型实例,采用实验和数值模拟方法进行了考察。结果表明,收缩段出口的透射激波恢复为近乎完美的平直形状,且波后流场的均匀性较好。进一步分析壁面型线设计中关键控制参数的影响,结果显示管道面积比对激波增强效果至关重要,壁面收缩型线对初始激波强度的变化不敏感。
　　2.针对强激波情况,提出了一种包含三种比热比的高温气体效应修正方法(3-γ方法),在获得可接受计算精度的同时,得到了适用于激波动力学理论体系的解析公式。首先在传统波前波后2-γ修正方法的基础上,引入体现跨激波比热比变化和组分变化的“等效参量”,来合理地体现高温气体效应的影响;同时引进考虑高温热化学平衡的数据库,得到等效参数和波后比热比的数值替代值,并在壁面型线设计的每个迭代步中调用数据库进行赋值。采用3-γ方法推导出激波间断关系和Chester-Chisnell-Whitham关系,得到了与热化学平衡流数值解和数值模拟吻合良好的结果;并成功将其应用于激波增强收缩管道的型线设计。
　　3.为了进一步提升激波强度,提出了“正交截面收缩”方法,在有限空间内可以大幅提升管道面积比。该方法在管道的展向宽度和竖直高度上分别进行二维收缩,实现了三维尺度上的激波增强效果,也便于进行二维流场显示。实验结果中,经过二次收缩之后的激波还能恢复成较完美的平直形状,激波增强效果也得到了显著提升。
　　4.研究了在所设计的“凹形-斜-凸形”管道中激波诱导点火的现象。本文收缩段在激波强度达到点火温度时平滑转变成直管道,保证气流向下游的流畅性以消除反射波,可以提供较稳定和可控的点火燃烧环境。在本文实验条件下观察到管道流向上存在两个相互独立的点火位置,随着初始激波强度的增加,它们不断靠近并会合并成一个位置;在竖直高度上,实验中壁面处更容易发生点火。在中等的初始激波强度时,实验的点火发生时间与数值模拟结果符合得较好;出口下游的障碍物对点火发生和燃烧波发展过程有加强作用。

目录

声明

摘要

插图索引

1．1．1 强激波现象

1．1．2 生成强激波的地面模拟方法

1．2 国内外研究现状

1．2．1 强驱动生成强激波的方法

1．2．2 被驱动段中面积收缩的激波增强方法

1．3 本文主要工作

第二章 研究方法概述

2．1 激波动力学理论

2．1．1 激波强度与面积变化关系

2．1．2 几何激波动力学

2．1．3 激波动力学适用性讨论

2．2 实验设备和测量技术

2．2．1 激波管技术

2．2．2 流动测量技术

2．2．3 试验段

2．3 数值模拟方法

2．4 本章小结

第三章 激波增强管道型线设计方法

3．1 收缩管道壁面型线设计方法及验证

3．1．1 激波在收缩管道中的运动原理

3．1．2 壁面型线的反设计过程

3．1．3 实验和数值模拟方法验证

3．2 型线设计的控制参数研究

3．2．1 控制参数对激波增强效果的影响

3．2．2 控制参数对型线的影响

3．2．3 固定型线时控制参数变化的影响

3．3 波后热力学参数分析

3．3．1 热力学参数分布

3．3．2 准一维非定常波系干扰分析

3．4 本章小结

第四章 收缩管道的高温气体效应修正及其改进

4．1 传统高温气体效应修正方法

4．1．1 空气的高温气体效应

4．1．2 激波问题中高温气体效应的传统处理方法

4．1．3 传统修正方法存在的问题和改进思路

4．2 激波间断关系的高温气体效应修正

4．2．1 3-γ修正方法

4．2．2 激波间断关系的修正和分析

4．3 激波动力学理论的修正及型线再设计

4．3．1 激波动力学理论的修正和分析

4．3．2 壁面型线设计方法的修正与分析

4．4 正交截面收缩方法及其应用

4．4．1 正交截面收缩方法及管道设计

4．4．2 正交截面收缩管道的性能研究

4．4．3 正交截面收缩管道的优化

4．5 本章小结

第五章 收缩管道中激波诱导点火应用研究

5．1 收缩管道中激波诱导点火的准一维特性

5．1．1 收缩管道中激波诱导点火现象

5．1．2 点火位置的流向分布

5．1．3 临界初始激波强度

5．2 收缩管道中二维点火细节

5．2．1 流向点火位置的相互作用

5．2．2 点火位置的竖直分布

5．2．3 点火发生时间

5．3 出口下游障碍物对点火过程的影响

5．3．1 存在障碍物时的激波诱导点火过程

5．3．2 障碍物对点火过程的影响分析

5．4 本章小结

6．1 结论

6．2 创新点

6．3 展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与发明专利