面向宽速域转捩实验环境的低扰动复现风洞设计与不确定量化评估

The temperature effect on the transition can not be ignored with the development of high Mach number aircrafts. The wind tunnel should reproduce the wide speed range flight environment for transition experiments, while the existing ground facilities can not take into account the low disturbance (considering "vortex wave", "sound" and "entropy wave") and wide-range Mach numbers operation. A novel facility is proposed in this project based on the Ludwieg tube with resistance preheating and slow-piston adiabatic compression. This program devotes to: develop a computationally efficient method to predict the piston trajectory and characterize the facility operation condition; develop a non-embedded uncertainty quantification analysis method and establish quantitative relationship between uncertain factors and disturbance characteristics; carry out the main disturbance source and identify possible mitigation techniques based on the structure of laminar-double nozzles. The design theory of wide-range Mach number facilities will be improved by numerical simulation and theoretical analysis. This program can provide technical support for the development of high Mach number aircrafts and provide the basis for the analysis and application of experimental data.

高马赫数飞行器研究对宽速域转捩实验提出了迫切需求，转捩实验要求风洞能复现飞行环境。近年来国内外针对高马赫数低扰动风洞开展了较为深入的研究，但仍不能达到宽速域转捩实验要求，特别是对温度模拟不足。然而近期研究表明，温度效应对转捩影响不容忽视，而现有设备均不能兼顾低扰动（考虑“涡波”、“声波”及“熵波”）和宽马赫数运行要求。本项目基于管风洞原理，探索一种综合运用电阻预加热与慢活塞绝热压缩叠加驱动的新型宽马赫数风洞设计技术，以期复现M2~6飞行环境。重点研究三方面内容：开展新型宽马赫数低扰动复现风洞设计理论研究，建立活塞轨迹及性能预测方法；发展不确定量化分析方法，建立不确定因素与扰动特性量化关系；基于层流双喷管结构，针对主要扰动源，开展抑制技术研究和效果分析。将采用理论分析、先进数值方法相结合的手段，完善宽马赫数设备设计理论，可为高马赫数飞行器研制提供设备技术支撑、为气动试验数据分析应用提供依据。

本项目基于管风洞原理，提出了一种综合运用电阻预加热与慢活塞绝热压缩叠加驱动的新型宽马赫数风洞设计技术，进一步完善宽马赫数设备设计理论。主要工作进展有：.1.建立了基于叠加驱动技术的新型宽马赫数风洞设计方法，可复现M2~6低扰动飞行环境，并进一步拓展采用二级等熵压缩叠加驱动形式，能够再现马赫数10飞行条件（总温不低于3000K）同时具备低扰动特性；.2.基于一维理论模型及数值模拟方法，采用能量分析法，建立了新原理风洞的性能评估手段，能够指导设计参数的选取；.3.基于不确定度量化方法，建立面向新原理风洞的扰动源分析、扰动特性综合表征与评估手段，并完成了单级等熵压缩平台的特性预测与实验；.4.建立了基于层流双喷管的扰动抑制措施，针对核心部件参数选取给出了建议取值。.项目研究历经3年，按预定计划进行实施，期间参加国内会议3人/次，国际会议1次，发表以及录用学术论文2篇，申请国家发明专利2项，授权实用新型专利2项。进一步完善宽马赫数设备设计理论，基本完成预期目标。