隔離段激波串精細結構與壓力特性實驗研究

孔小平, 陳 植,*, 張扣立, 常 雨, 朱楊柱, 龔紅明

(1. 中國空氣動力研究與發展中心, 四川 綿陽 621000; 2. 陸軍工程大學 爆炸沖擊防災減災國家重點實驗室, 南京 210007)

0 引 言

20世紀50年代以來，自高超聲速飛行的概念被提出之后，吸氣式推進技術受到廣大科研工作者的極高重視。1964年，Curran和Stull[1]提出，人們普遍認為可以實現高超聲速飛行最具有前景的推進系統是雙模態超燃沖壓發動機。它可以在來流馬赫數為 3～5 的條件下運行于常規的亞燃模態，而在馬赫數高于5之后切換至超燃模態。超燃沖壓發動機的主要部件通常包括進氣道、燃料注入系統、隔離段、燃燒室和尾噴管[2]。一般情況下，自由來流在進入發動機后、與燃料混合之前將由進氣道對其進行預壓縮，之后燃燒在超聲速氣流中組織，最后燃燒產物以氣流的形式經過尾噴管被排出到周圍大氣中。然而，對于低超聲速運行，還有一個關鍵的部件是必須的，那就是隔離段。隔離段連接了進氣道和燃燒室，其重要作用是防止燃燒室逆壓對進氣道入流的干擾并提供額外壓縮。

當雙模態發動機處于亞燃沖壓模式，隔離段內部出現強烈的激波/邊界層干擾現象。多道激波以及受擾動邊界層組成了復雜的預燃激波系統，從而使超聲速流動減速至亞聲速，其被稱為激波串[3]。實際上，類似的多激波現象不僅發生于隔離段中，在某些氣流通道中也會出現[4]。根據來流條件和出口條件，比如馬赫數、壓比和非對稱邊界條件等不同，激波串可能是一系列正激波或斜激波，主要取決于來流馬赫數和邊界層厚度[5]。通過激波串，壓縮空氣可以被調節以滿足燃燒室入口條件。當燃燒室反壓增大，可以通過增加激波串長度來調節和平衡隔離段與燃燒室之間的壓力變化。

隔離段入口與出口之間的壓力比值是一個重要參數。對于給定的隔離段，將激波串視為類激波，理論上的最大壓比或最大反壓是可以通過一維正激波關系式來進行估計的。然而，隔離段所能承受的最大真實壓比是低于理論估計的。隔離段下游的不均勻燃燒可引起反壓及壓力脈動升高，使激波串被推向上游。但是，一旦反壓高于最大值，激波串會被推出進氣道，在進氣道上游產生脫體的弓形激波導致發動機不啟動。因此，發動機不啟動的問題在隔離段設計時需要特別重視，否則可能導致嚴重的飛行災難[6-7]。其他參數如激波串長度、非定常性、總壓損失等，在一定程度上影響發動機的效率和性能[8-11]。

激波串前緣結構定位、不啟動探測、發動機運行控制研究已經取得較大進展[12-26]。Wagner等[12-13]采用紋影和高頻壓力傳感器研究了進氣道/隔離段模型的不啟動特性，測量了激波串向上游進氣道的運動速度，在不啟動發生時觀察到較大幅值的壓力波動。PIV的測量結果揭示了不啟動流場的速度場特征，在隔離段出口發現了大面積流動分離。Srikant等[14]提出了不啟動探測準則，包括壓力提升、標準差、功率譜密度等。Donbar等[15-16]提出了另一個準則，即壓力累和增量，并選擇壓力值、標準差和功率譜的150%增量作為閾值進行判斷。

Greets等[27-28]運用紋影技術、陰影技術、背景導向紋影(Background-Oriented Schlieren, BOS)技術和油流技術系統研究了來流馬赫數為2.5、矩形截面長寬比分別為3.0和6.0的隔離段流場結構，中心流動區域上游能夠觀察到邊界層的分離，激波串前緣正激波腳也清晰可見，流場顯示圖像表明兩種矩形截面隔離段中的激波串頭部正激波與相交斜激波所在位置密度梯度很大。范曉檣和熊兵[29-30]等人運用高速紋影技術和高頻壓力傳感器技術開展了馬赫數為3的矩形截面隔離段激波串非定常特性實驗研究，研究了激波串自激振蕩和受迫振蕩的壓力分布情況，結果表明在穩定背壓條件下存在200Hz以下的低頻自激振蕩，隨著下游背壓增加，激波串受迫振蕩和自激振蕩同時存在。

雖然在雙模態超燃沖壓發動機相關領域已經開展了很多工作，但是，由于激波串流場的復雜性，使得傳統手段在研究中受到一定局限，激波串強烈的三維性和非定常性并沒有被較完善地理解，仍需要進一步深入研究。本文在等截面隔離段模型中開展激波串/邊界層相互干擾的瞬態流場特性研究。結合基于納米示蹤的平面激光散射技術(NPLS)和高頻壓力傳感器對激波串的流場精細結構、壓力分布、脈動及其上傳特性進行分析。采用常規統計分析和差分平方累和方法研究激波串反壓通過邊界層內部向上游傳播的動力學特點和激波串前緣定位準則。

1 實驗設備及方法

1.1 隔離段風洞及NPLS系統

本研究在國防科技大學空氣動力學實驗室的直連式隔離段風洞中開展。如圖1所示，該風洞為吸氣式風洞，入口直接與大氣環境相通，出口與真空設備連接，可用于模擬發動機隔離段冷態流場。圖1中箭頭所指方向即為氣體流動方向。風洞主體結構包括：來流入口、穩定段、噴管段、等截面隔離段、擴張段、節流段等。圖2為圖1所對應的風洞剖視圖，可以看到隔離段風洞的詳細結構。入口1處的來流氣體為經干燥除塵的空氣。穩定段2用于粒子注入、提供粒子與來流充分混合的流動空間，同時降低來流擾動。噴管段3為采用基于B樣條曲線的短化噴管設計技術、設計馬赫數為2.5的超聲速噴管，以再現超聲速隔離段流場。等截面隔離段4是本文開展流動顯示和高頻瞬態壓力測量的部分，其橫截面為70mm×40mm的矩形，側面尺寸為250mm×40mm，除底部外其余三面裝有高質量光學玻璃用于實驗成像和激光入射，而底部為高強度有機玻璃，在其上安裝有高頻壓力傳感器。擴張段5、6用于壓力恢復。節流段7為等截面直通道，其尾部裝有節流板，通過機械節流產生尾部逆壓梯度的方式模擬來自真實發動機內燃燒室的反壓。當節流板8逐漸推進流場，該截面的流動面積逐漸減小，流量降低，并在該節流板之前形成回流區，形成反壓。由于逆壓梯度的存在，超聲速流動需要通過一系列激波來調節流動參數，進而形成激波串。當節流板進一步推進，激波串將被推向上游，甚至推出風洞噴管段，類似于發動機不啟動的狀態，此時整個隔離段風洞處于亞聲速狀態。在節流段入口處安裝了總壓耙10，用于測量激波串流場的總壓恢復系數。

圖1 直連式超聲速隔離段實驗風洞及NPLS測試系統

Fig.1Supersonicwindtunnelequippedwithflowvisualizationsystemfortheisolatortesting

圖2 直連式超聲速隔離段實驗風洞剖視圖

Fig.2Schematicsketchofthesupersonicwindtunnelconfiguration

NPLS技術是一種利用納米粒子作為示蹤粒子的流動結構精細顯示技術，解決了在超聲速/高超聲速流場中的粒子跟隨性問題，適用于測量高速復雜流場結構。本文所采用的NPLS系統如圖1所示，包括粒子發生器系統、光源系統、成像系統、同步控制系統和計算機存儲系統等。其中，納米粒子發生器產生并撒播至流場中的納米級示蹤粒子為TiO2，名義粒徑為10nm，具有良好的跟隨性和光散射特性，能夠準確地跟隨超聲速流場，同時有效地散射激光以利于提供高信噪比的實驗圖像。光源系統采用雙腔Nd:YAG 脈沖激光器，可在設定的時序下由同步控制器控制并發出兩束脈沖寬度為6ns的激光。激光經光臂和片光透鏡組后形成厚度小于1mm的片光，并照射到感興趣的流場區域。成像系統采用分辨率為2000pixel×2000pixel的行間傳輸雙曝光CCD記錄圖像，其雙曝光的時間間隔最短為0.2μs。同步控制器的時間精度為250ps，可根據計算機發出的指令對激光器與CCD進行同步控制，確保兩束激光的出光時間與CCD兩次曝光的時間相對應，從而獲得超聲速流場的瞬態圖像。計算機則負責設置同步器參數、存儲并處理圖像數據。

1.2 壓力測量系統及典型實驗模型

高頻壓力測量采用了東華集團公司的DH5927信號采集系統。該系統具有16個測試通道，最高采樣頻率為128kHz。為方便測試，同時使用了16位A/D轉換器。圖3給出了隔離段底部傳感器安裝位置，在底部板的中心線上布置了傳感器安裝孔，安裝孔的直徑D為0.8mm，深度H為2mm，因此深寬比H/D是小于3的，其中第一個傳感器T1中心線到隔離段入口的距離為27mm，T1中心線到T2中心線之間的距離為60mm，其余壓力傳感器T3、T4、T5中心線之間的間隔均為30mm。

圖3 隔離段底板傳感器安裝孔配置剖視圖

Fig.3Schematicconfigurationofthepressureorificesandsensorsonthebottomwall

為研究T形渦流發生器對隔離段激波串流場的影響，在無控制隔離段的側壁內側安裝T形渦流發生器，如圖4所示，從而能夠很好地與無控制隔離段的測量結果進行對比研究。因此，在該隔離段實驗風洞中可形成兩種隔離段：一種是不帶渦流發生器控制的隔離段，簡稱無控制隔離段；另一種是帶T形渦流發生器控制的隔離段，簡稱T控制隔離段。

圖4 T形渦流發生器安裝示意圖

2 結果與分析

2.1 時間平均結構

由于隔離段位于上游進氣道與下游燃燒室之間，既受上游入口條件影響，又受出口反壓作用，因此其流動結構相當復雜。圖5所示為采用紋影技術得到的無控制隔離段慢速節流流場結構的圖像序列，其中(a)～(d)所對應的下游反壓不斷增大，圖中標出了圖像序列所對應的時刻t和T5在該時刻測得的背壓pb。從圖中可以看出激波串結構比較明顯，說明隔離段入口與出口之間的壓力差通過激波串來回反射的波系結構進行了匹配。激波串頭部結構為交叉的斜激波，緊跟其后的是λ形激波結構，最后是正激波。隨著反壓從30kPa不斷增大到36kPa，激波串表現為整體向上游運動。然而當反壓增大到隔離段所能承受的最大抗反壓能力時，激波串將被推至隔離段出口。此時激波串將出現非常劇烈的振蕩和不穩定性，只要反壓略有增大，激波串將快速地被推出隔離段，并導致發動機不啟動。

圖5 無控制隔離段流場紋影圖像序列(Ma=2.5)

Fig.5Schlierenimagesequenceoftheflowfieldstructuresoftheisolatorwithnocontrol(Ma=2.5)

圖6所示為采用紋影技術得到的T控制隔離段慢速節流流場結構的圖像序列，圖中同樣標出了圖像序列所對應的時刻和T5在該時刻測得的背壓。隨著反壓從30kPa不斷增大到36kPa，激波串同樣表現為整體向上游運動，同時可以發現前緣激波之后緊跟的幾道激波也由開始的λ型激波轉變成略帶曲率的正激波。與無控制隔離段流場紋影圖像序列不同的是圖像序列中激波串的局部結構。由于T形渦流發生器能夠產生展向渦，激波串受其作用而發生變形。首先是激波串前緣激波的結構變成了雙邊分叉的正激波，并且在其上游隱約出現微弱的展向波系，這是由于超聲速氣流遭遇渦流發生器的前緣而產生的。事實上，由于隔離段兩側壁面安裝了T形渦流發生器，激波串流場受其作用后表現得更加具有對稱性和二維性。另外，圖5、6紋影圖像序列的初始時刻ti不同，這是因為兩個紋影圖像序列分別是在兩次不同的風洞實驗中拍攝得到的，每個風洞運行車次中，均是人為判斷風洞流場穩定之后手動點擊紋影系統圖像采集軟件進行數據采集，導致紋影序列圖像的初始時刻很難保持相同。

圖6 T控制隔離段流場紋影圖像序列(Ma=2.5)

Fig.6SchlierenimagesequenceoftheflowfieldstructuresoftheisolatorwithT-shapedvortexgeneratorcontrol(Ma=2.5)

由于傳統的紋影技術存在一定的時間和空間積分效應，三維的、高頻流動結構很難在紋影技術中清晰顯示。因此可以看出，圖5、6中邊界層結構無法顯示，而激波串的波系結構也較粗糙和模糊。所以，相對于激波串本身的高頻振蕩特性而言，紋影技術得到的是一定程度上的時間平均結構。

2.2 激波串瞬態流場結構

為更好地揭示激波串的精細結構，采用NPLS技術分別對兩種隔離段縱向截面激波串流場進行了測量。如上文所述，由于NPLS技術采用納米粒子進行示蹤，而納米粒子具有出色的跟隨性、光散射特性，復雜的超聲速流場在6ns脈寬的激光片光中被“凍結”，從而消除了時間、空間積分效應導致的結構模糊，因此能夠得到比紋影圖像更為精細的瞬態流場結構圖像。

圖7為采用NPLS技術得到的無控制隔離段在t=ti+8s、pb=35kPa時的激波串流場瞬態結構圖像。可以看出,在該瞬態流場中，激波串由頭部兩道交叉的斜激波、一系列彎曲的正激波所組成。激波波系的線條非常銳利，在與邊界層相互作用過程出現的波系變形也非常清晰。隔離段上下壁面的湍流邊界層受到了擾動，在激波波系入射的幾個區域，邊界層厚度明顯增大，表明在這幾個區域邊界層重復發生著分離與再附。由于邊界層分離本身具有非定常性，而邊界層分離又是由于激波串引起的，所以激波串非定常性與邊界層非定常性在一定程度上耦合在一起。

圖7 無控制隔離段縱向截面NPLS流場精細結構(Ma=2.5)

Fig.7NPLSimageoftheflowfieldstructuresoftheisolatorwithnocontrol(Ma=2.5)

同樣采用NPLS技術對T控制隔離段的激波串流場進行測量，圖8為T控制隔離段在t=ti+6s、pb=35kPa時的激波串流場瞬態結構圖像。可以看出，T形渦流發生器產生的展向渦與激波串相互作用，激波串前緣結構為分叉正激波，并且緊跟其后的第二道激波實際上結構與其類似，但是強度減弱，因而看起來像彎曲的正激波。另外，在激波的分叉點位置，可以發現若干黑色的滑移線，而上下壁面的邊界層厚度以及分離程度也相對減小。圖7、8所示NPLS圖像是在不同車次風洞實驗中獲得的，因此初始時刻ti也很難保證相同。

圖8 T控制隔離段縱向截面NPLS流場精細結構(Ma=2.5)

Fig.8NPLSimageoftheflowfieldstructuresoftheisolatorwithT-shapedvortexgenertorcontrol(Ma=2.5)

2.3 時均壓力分布

兩種隔離段流場的壁面壓力測量結果如圖9、10所示。比較圖9與10可以發現，無控制與T控制隔離段流場各點的壓力信號沒有出現明顯的差別，兩圖中的壓力曲線都呈先增長后遞減然后再增長的趨勢，這是因為實驗都是采用兩種方式進行的(分別是慢速節流和快速節流方式)。圖中的壓力曲線都可以分為S1、R1、S2、R2、U等五個部分，具體的運行過程是：當超聲速隔離段風洞啟動之后，在沒有下游節流的情況下，隔離段處于超燃狀態，標記為S1(Scramjet1)；當隔離段出口的節流板被慢慢推入流場并形成激波串，此時隔離段處于亞燃狀態，標記為R1(Ramjet1)，此時各個通道壓力信號快速增大并伴隨振蕩。在隔離段流動被節流板徹底阻滯之前，即隔離段不啟動發生之前，節流板開始退出，各通道壓力信號也隨之降低。隨著節流板逐漸退出隔離段流場，流道堵塞度降低，隔離段再次啟動并進入超燃狀態，將其標記為S2(Scramjet2)，各通道壓力信號也恢復至S1狀態。為了驗證節流速度對隔離段性能的影響，再次將節流板推入流場中，此次為快速節流，使隔離段再次處于亞燃狀態，標記為R2(Ramjet2)。當節流度增大并超過臨界值之后，隔離段不啟動發生，標記為U(Unstart)。之后風洞停止運行，由于上游總壓消失，所有通道壓力信號下降至相同大小。開展這兩種方式的節流實驗，是為了進一步研究節流速度如何影響激波串的運動。根據圖9、10中的壓力數據，可以提取出隔離段下壁面中軸線的壓力分布隨時間的發展規律，隨著節流度的增大，隔離段出口反壓在逐漸增大的同時向上游入口傳遞，隔離段處于亞燃狀態，各點壓力信號的升高態勢從下游向上游傳遞，對應于圖9、10中的R1、R2狀態。當節流度繼續增大，不啟動發生，隔離段內被亞聲速流場貫穿，各點壓力值處于較高水平但相互之間差別不大，對應圖9、10中的U狀態。從圖中還可以明顯看出壓力升高狀態從出口向上游入口傳遞，造成該現象的原因實際上是激波串在隔離段中的運動所導致，因而壓力的升高實際上是和激波串頭部位置的變化相關的。因此，進一步分析并檢測激波串的頭部位置，就能夠揭示更多的激波串流場特性。

圖9 無控制各傳感器壓力-時間曲線

圖10 T控制各傳感器壓力-時間曲線

Fig.10TimehistoryofpressuresensordatawithT-shapedvortexgenertorcontrol

2.4 脈動壓力特性

為研究激波串壓力脈動特性并檢測激波串頭部到達位置，對壓力傳感器數據進行分析，運用常見的統計分析方法如求平均、標準差、累和以及差分平方累和等進行處理。如圖11所示，將上述這些方法應用于兩種隔離段傳感器壓力數據，其中(a)為無控制慢速節流情況，(b)為無控制快速節流情況，(c)為T控制慢速節流情況，(d)為T控制快速節流情況。從分析結果來看，無控制和T控制兩種隔離段的分析結果相似，激波串前緣引起的壓力脈動非常明顯。值得注意的是，為了便于比較，將采用不同處理方法得到的曲線繪制在同一坐標中，并采用不同尺度進行無量綱化。因此，此處重點討論各曲線的趨勢，而非具體數值。

第一種處理方法是窗口平均法(Averaged)，原始壓力數據的采樣頻率為100kHz，窗口大小為100個數據點，因此得到頻率為1kHz的平均曲線。通過原始曲線與平均曲線的比較可以看出，兩者的趨勢相符，幅值差別不大，說明被平均處理抹除的高頻壓力脈動幅度很小，但是頻率較高。壓力曲線出現劇烈增大的部分實際上是激波串前緣位置的一個預示，可以作為一種判定標準。

第二種處理方法是標準方差法(Standard Deviation，STD)，該方法反映的是壓力脈動分布，從圖中可以看出，當激波串前緣位置到達傳感器時，往往出現大幅值的壓力脈動。這也是判定激波串前緣的一個標準，比在平均曲線中判斷壓力升高更為有效，因為其曲線在激波串到達的前后位置有較為明顯的差別，便于檢測。

(a) 無控制慢速節流

(b) 無控制快速節流

(c) T控制慢速節流

(d) T控制快速節流

第三種處理方法是累和法(Accumulation)，累和曲線整體呈單調增長趨勢，雖然在某些情況下具有一定的實用性，但在此處卻沒有明顯地反映出激波串前后的差別，因而無法成為激波串前緣判定的標準。

Chang等人[18]提出了一種差分絕對值累和方法，相對而言具有更好效果，其曲線在激波串前緣位置的區別度很高。該方法首先對原始壓力曲線求差分，然后取絕對值，之后進行累和。為了進一步增加曲線在激波串前后位置的區別度，本文采用平方處理替代取絕對值，記為差分平方累和方法(Integral)，即第四種處理方法。如圖中所示，該方法得到的曲線存在2個轉折點，一處是在激波串前緣到達時突然呈劇烈增大，另一處出現在不啟動發生時或激波串退出之后。該曲線的另一個特點是曲線始終光滑，并非像原始曲線、平均曲線、STD等存在明顯尖峰。這可以防止因這些尖峰而導致的誤判。

功率譜密度可以顯示信號中不同頻率分量的強度。無控制和T控制隔離段各傳感器壓力數據功率譜如圖12、13所示。首先，可以看出各傳感器信號具有類似的頻率分布，說明在激波串從下游向上游傳遞的過程中其壓力的頻率分布沒有發生明顯變化，因此可以無差別地挑選某一傳感器的壓力信號作為研究對象。其次，可以看出功率譜曲線在低頻處存在主峰，在5～10kHz之間也存在2個峰值，而在25～45kHz之間存在連續的波動，這說明激波串壓力信號包含了低頻和高頻兩種主要特征，該特征也對激波串的運動產生了一定影響。另外，比較無控制和T控制兩種隔離段激波串的功率譜，曲線分布基本一致，說明T控制狀態下，展向渦量并未對隔離段下壁面的壓力產生太大影響。

圖12 無控制隔離段各傳感器壓力數據功率譜

圖13 T控制隔離段各傳感器壓力數據功率譜

Fig.13PowerspectrumofthepressuredatawithT-shapedvortexgeneratorcontrol

3 結 論

針對激波串流場的時間平均結構、瞬態結構以及壓力特性在等截面隔離段模型中開展了無控制和T控制兩種狀態的相關實驗研究，得到結論如下：

(1) 紋影技術得到的是時間、空間積分的流場結構，紋影圖像可以很好地展現激波串的時均流場結構，NPLS技術得到的是流場某一截面的瞬態結構，兩者都顯示了激波串的主要結構特征，包括頭部激波、次激波等結構形態。與紋影結果相比，NPLS圖像在流場精細結構顯示方面更有優勢，可以清晰顯示激波串、分離區、湍流邊界層等細節結構。與無控制隔離段流場相比，T控制隔離段會產生相對較薄的邊界層以及一系列分叉正激波組成的激波串，且在隔離段中產生展向渦。

(2) 差分平方累和方法能夠較好地判斷激波串的前緣位置。通過對激波串前緣位置的研究發現，激波串的運動與下游的節流速度無關，相對而言，反壓的變化反而是描述激波串運動規律的更好途徑。

(3) 基于各壓力傳感器壓力數據功率譜分析的結果表明，無控制、T控制兩種隔離段激波串具有基本相同的功率譜特征，在低頻時存在主峰和局部峰值，高頻時存在連續波動，且不同位置的壓力傳感器具有相同的特征。