自由活塞激波风洞膜片打开过程中的瞬态流研究

The free-piston shock tunnel is an important hypervelocity ground test facility, which can produce high enthalpy and density test flows and simulate real gas effect of the hypersonic/ hypervelocity flight. Diaphragm opening is essential for the formation of shock waves in both free-piston shock tunnel and other shock tunnels. The opening time of diaphragm is often neglected in the shock-tube theory, however this tactics will cover up complexity in the formation of shock and contact surface. In practice, the high unsteady flow is generated during the opening process of the diaphragm and this process will have an effect on the performance of shock tunnels. Thus, it is valuable to research the evolution of the transient flows with diaphragm opening in terms of theory and application. This project will focus on the evolution of the transient flows during the opening process of the diaphragm. And based on previous work, its effect on the motion of piston as well as the formation and shock and contact surface will also paid close attention to by numerical and experimental methods.

自由活塞激波风洞可以产生高焓值高密度的试验气流，复现飞行环境中发生的真实气体效应，因而成为了重要的高超声速地面模拟设备。在自由活塞激波风洞或者其他类型的激波风洞中，膜片的打开是形成激波的先决条件。通常的激波管理论认为膜片的打开时间可以忽略，这一简化处理，掩盖了激波/接触面形成的复杂过程。事实上，在膜片的逐渐打开过程中，风洞管道内的流场结构十分复杂，具有高度的非定常特性，对风洞的实际运行性能影响显著。因此，理解这类瞬态流场的结构和演化具有重要的理论意义和工程应用价值。本项研究试图采用数值模拟和实验两种手段，探索膜片打开过程中瞬态流动的结构特征和演化规律，以及这一过程对活塞运动，激波/接触面形成与发展等现象的影响，为自由活塞激波风洞研发和运行服务。

本项目对自由活塞激波风洞的内流场展开了细致的研究，并通过对这类风洞内流场的深入刻画和理解，提升了整个设备的模拟能力。本项研究的理论贡献和创新主要包含以下两点。.（1）深入研究了自由活塞激波风洞中激波衰减的成因，在国际上首次揭示了，激波的衰减主要由边界层黏性和反射稀疏波引起，而后者又多处于主导地位。在很多情况下，变界面驱动带来的增益，不足以补偿后者所导致的衰减，因此传统的自由活塞激波风洞的设计构型需要做出适当调整。.（2）基于膜片的剪切-应变模型和活塞动力学模型，首次得到了膜片打开-活塞运动的耦合方程组，完成了膜片动态打开过程对活塞运动和常压力驱动时间影响的刻画。研究显示，由于活塞前脸压力和活塞速度之间存在博弈，膜片打开的差异性对活塞末端速度影响不大，活塞在压缩管末端可以实现软着陆。随后的试验结果证实了上述结论。此外，试验结果也显示主膜片非理想打开行为对激波的形成影响较大，但是随着激波的传播，这种影响逐渐微弱。.本项研究的理论成果具有重要的应用价值。根据这些结果可以很好地评估膜片非理想打开过程对活塞控制和风洞贮室条件的影响情况，并为风洞的安全运行和流场品质的提升提供指导。