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高焓激波风洞是现代空气动力学研究中重要的地面实验设备,其中爆轰驱动高焓激波风洞因其特有的优势逐渐受到越来越多的重视。本文以数值模拟方法为主,辅助必要的实验,对影响爆轰驱动激波风洞性能的几个关键问题进行了研究,主要研究内容如下:
⑴分析了爆轰驱动激波风洞中波的传播与相互作用过程,比较了正反向爆轰驱动的驱动能力及其对试验气流的品质影响,并研究了各种缓解、消除Taylor波的措施。研究结果表明:正向爆轰的驱动能力远高于反向,但其驱动品质不如反向爆轰驱动;增加驱动段长度和采用变截面驱动段可以缓解Tsylor波的不利影响,而反向-正向双爆轰驱动段可以完全消除Taylor波。
⑵通过理论分析和数值计算,确定出了爆轰驱动激波风洞缝合运行状态。研究结果表明:在确定缝合运行状态时,如果缝合激波马赫数较小,试验气体可以当作理想气体处理;如果缝合马赫数较高,需要考虑高温真实气体效应的影响。真实气体效应导致缝合激波马赫数升高,且初始压力越低真实气体效应的影响越显著。缝合激波马赫数都随着驱动气体中声速的增加而增加;随着被驱动气体中声速的增加而减小。
⑶讨论了反射激波与边界层的作用过程,在此基础上数值模拟研究了反射激波/边界层/接触面的相互作用,并重点分析了驱动气体与被驱动气体的掺混机制,及其对风洞试验时间的影响。研究结果表明:反射激波与入射激波诱导的非定常边界层相互作用能导致边界层分离,发展形成反射激波的分叉结构;驱动气体通过反射激波分叉部分与试验气体形成的分离流相互作用,沿固壁进入喷管是污染试验气体、影响风洞试验时间的关键。为了延长风洞的试验时间,本文提出了在激波风洞贮室内增设环形隔板的方法。研究结果表明在激波风洞驻室内增加隔板可使有效试验时间明显延长。