激光能量沉积法减轻Edney IV 型激波干扰的机理及规律研究

Edney IV, which is a kind of shock/shock interaction phenomenon, will greatly increase the pressure and heat flux on localized region of hypersonic vehicle surface. And laser energy deposition, which can produce blast waves by optical breakdown to change the shock wave structure, is a promising flow control method in hypersonic condition. In this research, we focus on the characteristics of Edney IV and mechanism of laser energy deposition to alleviate Edney IV. Numerical study is to be carried out to investigate the detailed structure of the multiple-shock interaction flow field, the relationship between shock parameters and surface peak load, the interaction process of blast waves and bow shock, and the optimal parameters of laser energy deposition. The results will provide useful information for the hypersonic vehicle thermal protection design and the application of laser energy deposition method.

Edney IV型激波干扰是斜激波/弓形激波相互作用的一种复杂形式，在高速飞行过程中极易出现，将导致飞行器壁面压力和热流显著增加，严重影响气动性能和飞行安全性。激光能量沉积法，通过激光击穿空气产生冲击波，进而改变流场激波结构，具有响应迅速、空间位置配置灵活、便于闭环控制等优点，在减轻Edney IV激波干扰方面具有良好的应用前景。本项目以获得Edney IV条件下壁面压力热流峰值预测方法、建立激光能量沉积法减轻Edney IV的最优参数方案为研究目标，分别开展Edney IV流场特性研究、入射激波参数与壁面载荷峰值关系研究、激光能量沉积法减轻Edney IV机理研究和激光能量参数对减轻壁面载荷的规律研究。突破入射激波参数与壁面载荷峰值关联方法、激光能量沉积点物理数学模型、激光能量参数优化方法等关键技术，为高超声速飞行器热防护设计和激光能量沉积主动流动控制方法在工程实际中的应用提供技术支撑。

激波之间相互干扰现象在超声速飞行器运行过程中极易出现，其中，Edney IV型激波干扰发生在入射斜激波与弓形激波几乎完全正交的情况，斜激波后的超声速流动在弓形激波后的亚声速区域形成一道超声速“嵌入”射流，这股射流撞击壁面，形成近壁面的弓形激波，造成飞行器局部压力和热流的急剧增加，严重影响飞行器性能。激光能量沉积主动流动控制法是在流场局部区域内注入激光能量，激光击穿气体产生等离子体区域，使气体温度和压力瞬时显著升高形成冲击波，冲击波随超声速气流下游传播从而对流场激波结构产生影响的方法，在减轻激波干扰导致的压力和热载荷方面具有良好的应用前景。. 本项目基于实验结果建立了激光热点物理模型，由激光聚焦区体积计算获得初始激光热点半径，通过建立激光热点能量与流场当地焓值之间关系，得到激光热点温升，并结合气体状态方程，得到激光热点区压强；在流动方程中加入高温高压源项，将激光热点扰动加入到流场当中，实现了激光热点与流动方程的耦合。在此基础上，通过数值模拟得到了单脉冲及多脉冲激光热点在不同能量强度、能量点位置、频率下的流场演化细节及与钝体作用特征。结果显示，在最优参数条件下，滞止点时均压力载荷为基础状态时的72％，钝体阻力减小了12％，能量效率η=109（不考虑激光离解空气损失）。同时，开展了Edney IV流场特性研究。结果显示，由于斜激波与弓形激波的干扰作用，在弓形激波后的亚声速区域产生了一道超声速射流，射流撞击壁面导致了钝体壁面压力和热流峰值分别上升了1.8和1.6倍。将激光热点加入到激波系主三叉点上游，冲击波与斜激波相交，使得斜激波发生变形、弯曲，弓形激波后超声速射流消失，弓形激波产生“透镜”效应，向着远离壁面的方向凸出，壁面压力和热流载荷峰值分别减小了17%和30%。本项目研究结果促进了高超声速条件下激光能量沉积法对复杂波系结构影响的认识，为激光能量沉积流动控制方法在工程实际中的应用提供了支撑。