激波／边界层相互作用诱导的激波风洞气体污染问题

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1、维普资讯http://www.cqvip.com第40卷第3期力学学报Vo1．40．No．32008年5月ChineseJournalofTheoreticalandAppliedMechanicsMay，2008激波／边界层相互作用诱导的激波风洞气体污染问题李进平。)冯珩姜宗林(中国科学院力学研究所高温气体动力学重点实验室，北京100190)摘要应用多组分NS方程和频散可控耗散格式(DCD)计算了爆轰驱动激波风洞中反射激波／边界层／接触面的相互作用过程，分析了驱动气体与试验气体在壁面射流作用下的掺混

2、机制及其对风洞试验时间的影响．为了延长风洞的试验时间，提出在风洞贮室内增设环形隔板，以隔离壁面射流，延长风洞试验时间的方法．计算结果表明：环形隔板确实可以限制驱动气体与试验气体的过早掺混，显著增加激波风洞的有效试验时间．关键词激波风洞，反射激波／边界层相互作用，试验气体污染中图分类号：0354．5文献标识码：A文章编号：0459—1879(2008)03—0289—08引言于其运行总压较高，采用抽吸边界层技术会给风洞的安全运行带来隐患．本文应用多组分NS方程和反射型激波风洞的试验时间主要取决于贮室试频

3、散可控耗散格式(DCD)研究了爆轰驱动激波风洞验气体状态维持恒定的时间．如果忽略各种波系对中反射激波／边界层相互作用过程和驱动气体与试贮室气体状态的影响，激波风洞的理论试验时间应验气体在壁面射流作用下的掺混机理．根据研究结为试验气体通过喉道全部流尽所需的时间．但由于果，提出了在风洞贮室内应用环形隔板来限制驱动诸多其它因素的影响，激波风洞的实际试验时间远气体的运动避免试验气体过早污染的方法．数值计比理论值短得多，其中反射激波／边界层／接触面算验证了新方法的可行性．的相互作用导致试验气体污染是一个重要因素

4、．当入射激波在激波管末端发生反射后，反射激1物理问题波将与边界层相互作用．由于反射激波后的气流压本文以氢氧爆轰驱动高焓激波风洞为研究背力大于边界层内气流的滞止压力，会产生壁面射流，景，风洞的结构如图1所示．激波风洞的被驱动段导致反射激波后的边界层分离，形成具有分叉结构长L1=2000mm，直径为D=50mm，喷管喉道直的反射激波．当壁面射流与接触面相互作用时，会导径为Dth⋯=9mm．风洞的驱动气体为氢氧爆轰致试验气体与驱动气体掺混，使驱动气体过早地进后的产物，试验气体为空气．在本文的计算中，重点入喷

5、管，改变了试验气体的组分，缩短激波风洞的有在于考察反射激波／边界层／接触面之间的相互作效试验时间．关于反射激波分叉现象的理论模型首先由Mark[J提出，Davies和Wilson[2J将其推广，用过程，因而不考虑激波风洞中各种波系对贮室气并应用到风洞试验气体污染问题的研究．Wilson[3J体状态的影响，也不考虑破膜时入射激波的发展过和Chue等1J也曾对风洞试验气体污染的问题进行程，即假设膜片瞬时破裂．数值模拟对爆轰所涉及了数值计算．理论预测和数值计算都表明试验气体与驱动气体掺混引起的激波风洞试验时

6、间缩短的问题是严重的．为了延长风洞的有效试验时间，最直接的方法是应用抽吸边界层技术．Burtschell等-5J曾对此有图1爆轰驱动激波风洞示意图过详细的论述．但对于爆轰驱动高焓激波风洞，由Fig．1Schematicofthedetonation—drivenshocktunnel2007—03-06收到第1稿，200801—28收到修改稿1)国家自然科学基金资助项目(90605006，10621202)．2)E-mail：jinping．1i@tom．com维普资讯http://www.cqvip

7、.com290力学学报2008年第40卷的化学反应采用有限速率基元化学反应模型来描=(+詈·)述．．=+(=OU+OV+2数值计算方法OT2．1控制方程+EphiD差数值模拟应用的二维多组分轴对称的NS方程nsOT％：+。为+篑++=+OGv++(1)化学反应源项为其中Sh。=[0，0，0，0，01，2，⋯，]U=[P，pu，pv，JDE，JD．^，JD，2，·一，JD厶]T其中为第i种组分的单位体积质量生成率．F=[pu，pu。+P，puv，(pE+p)u，pufl，2．2基元化学反应模型puf2，

8、⋯，JDu，n】T对于爆轰驱动激波风洞贮室内所涉及的化学反应，本文采用l1种组分23个基元反应模型来描述，G=【pv，puv+P，pv。+P，(pE+p)v，相关的组分为H2，H，02，OH，HO2，H202，H2O，N，pvfl，pvf2，⋯，pv厶]TN2，NO．由质量作用定律可得S：[pv,pvu,pv2,(E+p)，fx，f2，⋯厶]T=坛∑(一∑(ci)l·k=l。1式中^(i=1，2，⋯，n8)为组分i的质量分数．E为混合气体的总能f，II(