超声速边界层壁面孔隙流动精细流场结构及高超声速进气道抽吸流动控制机理

This project aims at flow field structure of supersonic boundary layer with bleed by holes and slots, which purpose is to understand the mechanism about the flow control by boundary layer bleed in supersonic/hypersonic inlet. In this project, the flow field structure of the supersonic boundary layer interacted by holes and slots, the flow field structure of the supersonic boundary layer interacted by both bleed wall and impinged or glanced shock, and the mechanism of boundary layer bleed in supersonic/hypersonic inlet, would be emphasized studied. The optical observation technologies such as high-speed Schlieren, PIV, nano-particles planar laser scattering (NPLS) technology would be comprehensively utilized in the experimental study, complemented by the hybrid LES/RANS numerical simulation. High temporal and spatial resolution flow filed would be acquired by adopting the research methods mentioned above. The flow field diagrammatic nearby slot and triangle hole in supersonic planar boundary layer could be drawn clearly. By analyzing the evolution process of the inlet restarting flow field, the study would reveal the mechanism of the boundary layer bleed in improving the inlet starting characteristics. By analyzing the unsteady inlet flow field caused by downstream back pressure, the study would reveal the mechanism of the boundary layer bleed in enhancing the inlet pressure resistance performance. This project is not only of great theoretical significance for revealing the mechanism of the supersonic inlet boundary layer bleed process, but also of great contributing to establish the bleed models of the hypersonic inlet.

本项目以含有孔隙壁面的超声速边界层流场为研究对象，以明晰超/高超声速进气道边界层抽吸控制的流动机理为研究目的，综合运用高速纹影、纳米粒子平面激光散射（NPLS）等光学观测手段，结合混合LES/RANS数值模拟方法，重点开展超声速边界层与孔隙壁面相互作用的流场结构、入射激波与孔隙壁面边界层相互作用的流场结构、高超声速进气道边界层抽吸流动控制机理这三方面的研究。通过该项目的研究，将获得超声速边界层与孔隙壁面相互作用的精细流场结构，构建槽、三角孔等与超声速边界层作用的局部流动图画，得到参数影响规律；获得孔隙壁面边界层与激波相互作用的流场精细结构，建立适用于进气道抽吸流动控制设计的流场细观模型；掌握进气道边界层抽吸流动控制改善边界层分离、明晰自起动和耐反压能力的流动机理，对超声速边界层抽吸控制的设计具有十分重要的现实意义和工程实用价值。

边界层抽吸是目前能够应用于进气道的最为简单、现实和可靠的流动控制手段。尽管在工程应用中比较常见，但目前有关壁面抽吸孔隙附近流场结构的研究并不深入，因此开展相应的研究对于明晰抽吸的内在机理，寻求最佳抽吸方案有着重要意义。.在本项目中，超声速边界层与孔隙壁面相互作用的流场结构，入射激波与孔隙壁面边界层相互作用的流场结构，高超声速进气道边界层抽吸流动控制机理等三个方面的工作被重点研究。通过试验与数值计算相结合的方式对壁面孔隙边界层抽吸的流场结构开展了系统深入的研究。在数值计算方面，对不同工况、不同形状的抽吸孔隙流场结构开展了研究，提取了性能参数，同时总结了规律。在试验方面，设计加工了抽吸腔反压可调，抽吸槽尺寸可变，抽吸流量可测，同时可进行光学测量的试验装置及相关系统试验部件，然后利用NPLS、纹影两种流动显示技术得到了不同工况下的抽吸槽附近局部流场结构，同时还使用音速喷嘴测量了试验过程中的抽吸流量。本文通过试验与数值计算相结合的方式对壁面孔隙边界层抽吸的流场结构开展了系统深入的研究。在数值计算方面，对不同工况、不同形状的抽吸孔隙流场结构开展了研究，提取了性能参数，同时总结了规律。在试验方面，设计加工了抽吸腔反压可调，抽吸槽尺寸可变，抽吸流量可测，同时可进行光学测量的试验装置及相关系统试验部件，然后利用NPLS、纹影两种流动显示技术得到了不同工况下的抽吸槽附近局部流场结构，同时还使用音速喷嘴测量了试验过程中的抽吸流量。.通过该项目的研究，获得了超声速边界层与孔隙壁面相互作用的精细流场结构，构建了槽、三角孔等与超声速边界层作用的局部流动图画，并得到了参数影响规律；获得了孔隙壁面边界层与激波相互作用的流场精细结构，建立适用于进气道抽吸流动控制设计的流场细观模型；基本掌握进气道边界层抽吸流动控制改善边界层分离、 明晰自起动和耐反压能力的流动机理。