一种形状可控的激波增强管道型线设计新方法

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaAug．252016V01．37No．82408-2416ISSN1000．6893CN11-1929／Vhttp：／／hkxb．buaa．edu．onhkxb@buaa．edu．ca一种形状可控的激波增强管道型线设计新方法詹东文，杨剑挺，杨基明*，朱雨建中国科学技术大学近代力学系，合肥230027摘要：激波管所产生的非定常运动激波，若强度和形状能够按照一定的设计要求进行可控条件下的调节，将可望为燃料点火燃烧试验等提供具有独到优势的研究手段。基于激波动力学理论，针对激波管中所产生的平面运动激波，通过设计特定的上下

2、壁面收缩型线，使初始平面运动激波，经收缩段(包括光滑凹形曲线段、斜直线段和光滑凸形曲线段)的变形和强度增加，再以平面波面形状进入较小截面直管段的连续转变过渡，得到了强度增加的平面激波。进一步对所设计的典型型线分别采用数值计算和试验的方法，考核分析激波运动过程中的形状变化，验证了理论方法的可靠性。在此基础上，分析了型线设计的关键参数对激波增强幅度的影响，结果表明，相对于传统激波管方法，本文中所提出的收缩截面方法能更显著地增加平面激波强度；另外，还考察了初始入射激波马赫数对壁面型线和运动激波波面形状的影响，结果表明，对于较强的初始入射激波来说，壁面型线对入射激波强度依赖较小，也就是说，当实际入

3、射激波马赫数即使稍偏离设计状态时，仍然能得到近乎完美的平面形状增强激波。关键词：激波动力学；激波管；激波增强；收缩管道；壁面型线；激波面形状中图分类号：V211．751；0354．j文献标识码：A文章编号：1000—6893(2016)08—2408—09激波管和激波风洞是与飞行器尤其是高超声速飞行器研究密切相关的脉冲型地面模拟设备。其中，不管是为了模拟飞行器高焓流动还是开展燃料点火特性研究，都会遇到强激波的产生和准确控制等问题[1书]。激波管中调节激波强度的一般方法是改变驱动段与被驱动段的压比，但生成的激波强度有限，当被驱动段不能抽真空时，这种限制尤为突出[9]。通过面积收缩的方法能较容

4、易地增加激波强度[1””]，如Bond等口叫通过一个线性汇聚的楔形结构研究了初始平面激波的聚焦增强特性。然而一般的截面变化会伴随着复杂扰动，导致沿激波面或跟随波后的参数分布不均匀，使生成的激波形状和强度偏离所需的试验状态。为了避免截面改变所伴随的复杂扰动，作者所在课题组前期根据激波动力学理论[14。17I，在激波管中设计特定的凹形壁面型线，初始平面激波经过时壁面产生连续的“激波一压缩”扰动沿着激波传播，使平面激波平滑过渡为圆柱形汇聚激波L1819]。但是生成的激波不断汇聚加强，无法稳定在试验所需的单一强激波状态。为了克服这一局限性，本文提出了一种可控的增加平面激波强度的收缩截面设计新方法，

5、在凹形壁面型线的下游进一步设计特定的凸形壁面型线，使之产生的连续“激波一膨胀”扰动与上游传播过来的“激波一压缩”扰动刚好相反，逐渐抵消上游扰动对激波形状的影响，使弯曲激波恢复成试验所需状态的平面强激波，且波面上没有明显干扰。本文为保证相对完整性，首先简单介绍了作收稿日期：2016—01—11；退修日期：2016—02—17；录用日期：2016—03—08；网络出版时间：2016—03—2113：27网络出版地址：WWWcnkinet／kcms／detail／111929V201603211327010．html基金项目：国家自然科学基金(11132010)*通讯作者Tel：0551-636

6、03390E-mail：jmyang@ustceduCn黝用格式：詹东文．杨锄挺．杨基鸭，等一种形状可控的激波增强管道型线设计新方法iJji航空学报。2016。37(8)：2408-2416ZHANDW，YANGJT，YANGJM，etalAnewmethodofwaftprofiledesignforshape—controllableshockwaveenhancement!JjActaAeronauticaetAstronauticaSinica．2016．37(8)：2408-2416詹东文，等：一种形状可控的激波增强管道型线设计新方法为理论基础的激波动力学理论，继而设计出收缩∥．

7、段所应遵守的壁面控制型线，以使得进入该收缩段的平面初始激波在经过连续变形和强度增加之后，到达收缩段的出口时还能恢复到平面的波面形状。最后采用数值计算方法和纹影试验方法，考核分析该理论所设计的典型构型，并研究壁面型线设计的几个关键参数对平面激波增强效果的影响，以及对壁面型线形状和运动激波波面形状的影响。1激波动力学理论hg·l激波动力学理论能够描述运动激波在变截面管道中的运动以及参数变化。如图1所示，应用正交曲线坐标系描述