隔離段激波串精細(xì)結(jié)構(gòu)與壓力特性實(shí)驗(yàn)研究

孔小平, 陳 植,*, 張扣立, 常 雨, 朱楊柱, 龔紅明

(1. 中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心, 四川 綿陽(yáng) 621000; 2. 陸軍工程大學(xué) 爆炸沖擊防災(zāi)減災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 南京 210007)

0 引 言

20世紀(jì)50年代以來(lái)，自高超聲速飛行的概念被提出之后，吸氣式推進(jìn)技術(shù)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(rèn)為可以實(shí)現(xiàn)高超聲速飛行最具有前景的推進(jìn)系統(tǒng)是雙模態(tài)超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)。它可以在來(lái)流馬赫數(shù)為 3～5 的條件下運(yùn)行于常規(guī)的亞燃模態(tài)，而在馬赫數(shù)高于5之后切換至超燃模態(tài)。超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的主要部件通常包括進(jìn)氣道、燃料注入系統(tǒng)、隔離段、燃燒室和尾噴管[2]。一般情況下，自由來(lái)流在進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)后、與燃料混合之前將由進(jìn)氣道對(duì)其進(jìn)行預(yù)壓縮，之后燃燒在超聲速氣流中組織，最后燃燒產(chǎn)物以氣流的形式經(jīng)過(guò)尾噴管被排出到周圍大氣中。然而，對(duì)于低超聲速運(yùn)行，還有一個(gè)關(guān)鍵的部件是必須的，那就是隔離段。隔離段連接了進(jìn)氣道和燃燒室，其重要作用是防止燃燒室逆壓對(duì)進(jìn)氣道入流的干擾并提供額外壓縮。

當(dāng)雙模態(tài)發(fā)動(dòng)機(jī)處于亞燃沖壓模式，隔離段內(nèi)部出現(xiàn)強(qiáng)烈的激波/邊界層干擾現(xiàn)象。多道激波以及受擾動(dòng)邊界層組成了復(fù)雜的預(yù)燃激波系統(tǒng)，從而使超聲速流動(dòng)減速至亞聲速，其被稱為激波串[3]。實(shí)際上，類似的多激波現(xiàn)象不僅發(fā)生于隔離段中，在某些氣流通道中也會(huì)出現(xiàn)[4]。根據(jù)來(lái)流條件和出口條件，比如馬赫數(shù)、壓比和非對(duì)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(lái)流馬赫數(shù)和邊界層厚度[5]。通過(guò)激波串，壓縮空氣可以被調(diào)節(jié)以滿足燃燒室入口條件。當(dāng)燃燒室反壓增大，可以通過(guò)增加激波串長(zhǎng)度來(lái)調(diào)節(jié)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(gè)重要參數(shù)。對(duì)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(guò)一維正激波關(guān)系式來(lái)進(jìn)行估計(jì)的。然而，隔離段所能承受的最大真實(shí)壓比是低于理論估計(jì)的。隔離段下游的不均勻燃燒可引起反壓及壓力脈動(dòng)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(huì)被推出進(jìn)氣道，在進(jìn)氣道上游產(chǎn)生脫體的弓形激波導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)不啟動(dòng)。因此，發(fā)動(dòng)機(jī)不啟動(dòng)的問(wèn)題在隔離段設(shè)計(jì)時(shí)需要特別重視，否則可能導(dǎo)致嚴(yán)重的飛行災(zāi)難[6-7]。其他參數(shù)如激波串長(zhǎng)度、非定常性、總壓損失等，在一定程度上影響發(fā)動(dòng)機(jī)的效率和性能[8-11]。

激波串前緣結(jié)構(gòu)定位、不啟動(dòng)探測(cè)、發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行控制研究已經(jīng)取得較大進(jìn)展[12-26]。Wagner等[12-13]采用紋影和高頻壓力傳感器研究了進(jìn)氣道/隔離段模型的不啟動(dòng)特性，測(cè)量了激波串向上游進(jìn)氣道的運(yùn)動(dòng)速度，在不啟動(dòng)發(fā)生時(shí)觀察到較大幅值的壓力波動(dòng)。PIV的測(cè)量結(jié)果揭示了不啟動(dòng)流場(chǎng)的速度場(chǎng)特征，在隔離段出口發(fā)現(xiàn)了大面積流動(dòng)分離。Srikant等[14]提出了不啟動(dòng)探測(cè)準(zhǔn)則，包括壓力提升、標(biāo)準(zhǔn)差、功率譜密度等。Donbar等[15-16]提出了另一個(gè)準(zhǔn)則，即壓力累和增量，并選擇壓力值、標(biāo)準(zhǔn)差和功率譜的150%增量作為閾值進(jìn)行判斷。

Greets等[27-28]運(yùn)用紋影技術(shù)、陰影技術(shù)、背景導(dǎo)向紋影(Background-Oriented Schlieren, BOS)技術(shù)和油流技術(shù)系統(tǒng)研究了來(lái)流馬赫數(shù)為2.5、矩形截面長(zhǎng)寬比分別為3.0和6.0的隔離段流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，中心流動(dòng)區(qū)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(jiàn)，流場(chǎng)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(yùn)用高速紋影技術(shù)和高頻壓力傳感器技術(shù)開(kāi)展了馬赫數(shù)為3的矩形截面隔離段激波串非定常特性實(shí)驗(yàn)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(jié)果表明在穩(wěn)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(shí)存在。

雖然在雙模態(tài)超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)領(lǐng)域已經(jīng)開(kāi)展了很多工作，但是，由于激波串流場(chǎng)的復(fù)雜性，使得傳統(tǒng)手段在研究中受到一定局限，激波串強(qiáng)烈的三維性和非定常性并沒(méi)有被較完善地理解，仍需要進(jìn)一步深入研究。本文在等截面隔離段模型中開(kāi)展激波串/邊界層相互干擾的瞬態(tài)流場(chǎng)特性研究。結(jié)合基于納米示蹤的平面激光散射技術(shù)(NPLS)和高頻壓力傳感器對(duì)激波串的流場(chǎng)精細(xì)結(jié)構(gòu)、壓力分布、脈動(dòng)及其上傳特性進(jìn)行分析。采用常規(guī)統(tǒng)計(jì)分析和差分平方累和方法研究激波串反壓通過(guò)邊界層內(nèi)部向上游傳播的動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)和激波串前緣定位準(zhǔn)則。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及方法

1.1 隔離段風(fēng)洞及NPLS系統(tǒng)

本研究在國(guó)防科技大學(xué)空氣動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室的直連式隔離段風(fēng)洞中開(kāi)展。如圖1所示，該風(fēng)洞為吸氣式風(fēng)洞，入口直接與大氣環(huán)境相通，出口與真空設(shè)備連接，可用于模擬發(fā)動(dòng)機(jī)隔離段冷態(tài)流場(chǎng)。圖1中箭頭所指方向即為氣體流動(dòng)方向。風(fēng)洞主體結(jié)構(gòu)包括：來(lái)流入口、穩(wěn)定段、噴管段、等截面隔離段、擴(kuò)張段、節(jié)流段等。圖2為圖1所對(duì)應(yīng)的風(fēng)洞剖視圖，可以看到隔離段風(fēng)洞的詳細(xì)結(jié)構(gòu)。入口1處的來(lái)流氣體為經(jīng)干燥除塵的空氣。穩(wěn)定段2用于粒子注入、提供粒子與來(lái)流充分混合的流動(dòng)空間，同時(shí)降低來(lái)流擾動(dòng)。噴管段3為采用基于B樣條曲線的短化噴管設(shè)計(jì)技術(shù)、設(shè)計(jì)馬赫數(shù)為2.5的超聲速噴管，以再現(xiàn)超聲速隔離段流場(chǎng)。等截面隔離段4是本文開(kāi)展流動(dòng)顯示和高頻瞬態(tài)壓力測(cè)量的部分，其橫截面為70mm×40mm的矩形，側(cè)面尺寸為250mm×40mm，除底部外其余三面裝有高質(zhì)量光學(xué)玻璃用于實(shí)驗(yàn)成像和激光入射，而底部為高強(qiáng)度有機(jī)玻璃，在其上安裝有高頻壓力傳感器。擴(kuò)張段5、6用于壓力恢復(fù)。節(jié)流段7為等截面直通道，其尾部裝有節(jié)流板，通過(guò)機(jī)械節(jié)流產(chǎn)生尾部逆壓梯度的方式模擬來(lái)自真實(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)燃燒室的反壓。當(dāng)節(jié)流板8逐漸推進(jìn)流場(chǎng)，該截面的流動(dòng)面積逐漸減小，流量降低，并在該節(jié)流板之前形成回流區(qū)，形成反壓。由于逆壓梯度的存在，超聲速流動(dòng)需要通過(guò)一系列激波來(lái)調(diào)節(jié)流動(dòng)參數(shù)，進(jìn)而形成激波串。當(dāng)節(jié)流板進(jìn)一步推進(jìn)，激波串將被推向上游，甚至推出風(fēng)洞噴管段，類似于發(fā)動(dòng)機(jī)不啟動(dòng)的狀態(tài)，此時(shí)整個(gè)隔離段風(fēng)洞處于亞聲速狀態(tài)。在節(jié)流段入口處安裝了總壓耙10，用于測(cè)量激波串流場(chǎng)的總壓恢復(fù)系數(shù)。

圖1 直連式超聲速隔離段實(shí)驗(yàn)風(fēng)洞及NPLS測(cè)試系統(tǒng)

Fig.1Supersonicwindtunnelequippedwithflowvisualizationsystemfortheisolatortesting

圖2 直連式超聲速隔離段實(shí)驗(yàn)風(fēng)洞剖視圖

Fig.2Schematicsketchofthesupersonicwindtunnelconfiguration

NPLS技術(shù)是一種利用納米粒子作為示蹤粒子的流動(dòng)結(jié)構(gòu)精細(xì)顯示技術(shù)，解決了在超聲速/高超聲速流場(chǎng)中的粒子跟隨性問(wèn)題，適用于測(cè)量高速?gòu)?fù)雜流場(chǎng)結(jié)構(gòu)。本文所采用的NPLS系統(tǒng)如圖1所示，包括粒子發(fā)生器系統(tǒng)、光源系統(tǒng)、成像系統(tǒng)、同步控制系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)系統(tǒng)等。其中，納米粒子發(fā)生器產(chǎn)生并撒播至流場(chǎng)中的納米級(jí)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(zhǔn)確地跟隨超聲速流場(chǎng)，同時(shí)有效地散射激光以利于提供高信噪比的實(shí)驗(yàn)圖像。光源系統(tǒng)采用雙腔Nd:YAG 脈沖激光器，可在設(shè)定的時(shí)序下由同步控制器控制并發(fā)出兩束脈沖寬度為6ns的激光。激光經(jīng)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(chǎng)區(qū)域。成像系統(tǒng)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(shí)間間隔最短為0.2μs。同步控制器的時(shí)間精度為250ps，可根據(jù)計(jì)算機(jī)發(fā)出的指令對(duì)激光器與CCD進(jìn)行同步控制，確保兩束激光的出光時(shí)間與CCD兩次曝光的時(shí)間相對(duì)應(yīng)，從而獲得超聲速流場(chǎng)的瞬態(tài)圖像。計(jì)算機(jī)則負(fù)責(zé)設(shè)置同步器參數(shù)、存儲(chǔ)并處理圖像數(shù)據(jù)。

1.2 壓力測(cè)量系統(tǒng)及典型實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

高頻壓力測(cè)量采用了東華集團(tuán)公司的DH5927信號(hào)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有16個(gè)測(cè)試通道，最高采樣頻率為128kHz。為方便測(cè)試，同時(shí)使用了16位A/D轉(zhuǎn)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(gè)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(fā)生器對(duì)隔離段激波串流場(chǎng)的影響，在無(wú)控制隔離段的側(cè)壁內(nèi)側(cè)安裝T形渦流發(fā)生器，如圖4所示，從而能夠很好地與無(wú)控制隔離段的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比研究。因此，在該隔離段實(shí)驗(yàn)風(fēng)洞中可形成兩種隔離段：一種是不帶渦流發(fā)生器控制的隔離段，簡(jiǎn)稱無(wú)控制隔離段；另一種是帶T形渦流發(fā)生器控制的隔離段，簡(jiǎn)稱T控制隔離段。

圖4 T形渦流發(fā)生器安裝示意圖

2 結(jié)果與分析

2.1 時(shí)間平均結(jié)構(gòu)

由于隔離段位于上游進(jìn)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(dòng)結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜。圖5所示為采用紋影技術(shù)得到的無(wú)控制隔離段慢速節(jié)流流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的圖像序列，其中(a)～(d)所對(duì)應(yīng)的下游反壓不斷增大，圖中標(biāo)出了圖像序列所對(duì)應(yīng)的時(shí)刻t和T5在該時(shí)刻測(cè)得的背壓pb。從圖中可以看出激波串結(jié)構(gòu)比較明顯，說(shuō)明隔離段入口與出口之間的壓力差通過(guò)激波串來(lái)回反射的波系結(jié)構(gòu)進(jìn)行了匹配。激波串頭部結(jié)構(gòu)為交叉的斜激波，緊跟其后的是λ形激波結(jié)構(gòu)，最后是正激波。隨著反壓從30kPa不斷增大到36kPa，激波串表現(xiàn)為整體向上游運(yùn)動(dòng)。然而當(dāng)反壓增大到隔離段所能承受的最大抗反壓能力時(shí)，激波串將被推至隔離段出口。此時(shí)激波串將出現(xiàn)非常劇烈的振蕩和不穩(wěn)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(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)不啟動(dòng)。

圖5 無(wú)控制隔離段流場(chǎng)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(shù)得到的T控制隔離段慢速節(jié)流流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的圖像序列，圖中同樣標(biāo)出了圖像序列所對(duì)應(yīng)的時(shí)刻和T5在該時(shí)刻測(cè)得的背壓。隨著反壓從30kPa不斷增大到36kPa，激波串同樣表現(xiàn)為整體向上游運(yùn)動(dòng)，同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)前緣激波之后緊跟的幾道激波也由開(kāi)始的λ型激波轉(zhuǎn)變成略帶曲率的正激波。與無(wú)控制隔離段流場(chǎng)紋影圖像序列不同的是圖像序列中激波串的局部結(jié)構(gòu)。由于T形渦流發(fā)生器能夠產(chǎn)生展向渦，激波串受其作用而發(fā)生變形。首先是激波串前緣激波的結(jié)構(gòu)變成了雙邊分叉的正激波，并且在其上游隱約出現(xiàn)微弱的展向波系，這是由于超聲速氣流遭遇渦流發(fā)生器的前緣而產(chǎn)生的。事實(shí)上，由于隔離段兩側(cè)壁面安裝了T形渦流發(fā)生器，激波串流場(chǎng)受其作用后表現(xiàn)得更加具有對(duì)稱性和二維性。另外，圖5、6紋影圖像序列的初始時(shí)刻ti不同，這是因?yàn)閮蓚€(gè)紋影圖像序列分別是在兩次不同的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中拍攝得到的，每個(gè)風(fēng)洞運(yùn)行車次中，均是人為判斷風(fēng)洞流場(chǎng)穩(wěn)定之后手動(dòng)點(diǎn)擊紋影系統(tǒng)圖像采集軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，導(dǎo)致紋影序列圖像的初始時(shí)刻很難保持相同。

圖6 T控制隔離段流場(chǎng)紋影圖像序列(Ma=2.5)

Fig.6SchlierenimagesequenceoftheflowfieldstructuresoftheisolatorwithT-shapedvortexgeneratorcontrol(Ma=2.5)

由于傳統(tǒng)的紋影技術(shù)存在一定的時(shí)間和空間積分效應(yīng)，三維的、高頻流動(dòng)結(jié)構(gòu)很難在紋影技術(shù)中清晰顯示。因此可以看出，圖5、6中邊界層結(jié)構(gòu)無(wú)法顯示，而激波串的波系結(jié)構(gòu)也較粗糙和模糊。所以，相對(duì)于激波串本身的高頻振蕩特性而言，紋影技術(shù)得到的是一定程度上的時(shí)間平均結(jié)構(gòu)。

2.2 激波串瞬態(tài)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)

為更好地揭示激波串的精細(xì)結(jié)構(gòu)，采用NPLS技術(shù)分別對(duì)兩種隔離段縱向截面激波串流場(chǎng)進(jìn)行了測(cè)量。如上文所述，由于NPLS技術(shù)采用納米粒子進(jìn)行示蹤，而納米粒子具有出色的跟隨性、光散射特性，復(fù)雜的超聲速流場(chǎng)在6ns脈寬的激光片光中被“凍結(jié)”，從而消除了時(shí)間、空間積分效應(yīng)導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)模糊，因此能夠得到比紋影圖像更為精細(xì)的瞬態(tài)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)圖像。

圖7為采用NPLS技術(shù)得到的無(wú)控制隔離段在t=ti+8s、pb=35kPa時(shí)的激波串流場(chǎng)瞬態(tài)結(jié)構(gòu)圖像。可以看出,在該瞬態(tài)流場(chǎng)中，激波串由頭部?jī)傻澜徊娴男奔げā⒁幌盗袕澢恼げㄋM成。激波波系的線條非常銳利，在與邊界層相互作用過(guò)程出現(xiàn)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(dòng)，在激波波系入射的幾個(gè)區(qū)域，邊界層厚度明顯增大，表明在這幾個(gè)區(qū)域邊界層重復(fù)發(fā)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(wú)控制隔離段縱向截面NPLS流場(chǎng)精細(xì)結(jié)構(gòu)(Ma=2.5)

Fig.7NPLSimageoftheflowfieldstructuresoftheisolatorwithnocontrol(Ma=2.5)

同樣采用NPLS技術(shù)對(duì)T控制隔離段的激波串流場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量，圖8為T控制隔離段在t=ti+6s、pb=35kPa時(shí)的激波串流場(chǎng)瞬態(tài)結(jié)構(gòu)圖像?？梢钥闯?，T形渦流發(fā)生器產(chǎn)生的展向渦與激波串相互作用，激波串前緣結(jié)構(gòu)為分叉正激波，并且緊跟其后的第二道激波實(shí)際上結(jié)構(gòu)與其類似，但是強(qiáng)度減弱，因而看起來(lái)像彎曲的正激波。另外，在激波的分叉點(diǎn)位置，可以發(fā)現(xiàn)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(duì)減小。圖7、8所示NPLS圖像是在不同車次風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中獲得的，因此初始時(shí)刻ti也很難保證相同。

圖8 T控制隔離段縱向截面NPLS流場(chǎng)精細(xì)結(jié)構(gòu)(Ma=2.5)

Fig.8NPLSimageoftheflowfieldstructuresoftheisolatorwithT-shapedvortexgenertorcontrol(Ma=2.5)

2.3 時(shí)均壓力分布

兩種隔離段流場(chǎng)的壁面壓力測(cè)量結(jié)果如圖9、10所示。比較圖9與10可以發(fā)現(xiàn)，無(wú)控制與T控制隔離段流場(chǎng)各點(diǎn)的壓力信號(hào)沒(méi)有出現(xiàn)明顯的差別，兩圖中的壓力曲線都呈先增長(zhǎng)后遞減然后再增長(zhǎng)的趨勢(shì)，這是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)都是采用兩種方式進(jìn)行的(分別是慢速節(jié)流和快速節(jié)流方式)。圖中的壓力曲線都可以分為S1、R1、S2、R2、U等五個(gè)部分，具體的運(yùn)行過(guò)程是：當(dāng)超聲速隔離段風(fēng)洞啟動(dòng)之后，在沒(méi)有下游節(jié)流的情況下，隔離段處于超燃狀態(tài)，標(biāo)記為S1(Scramjet1)；當(dāng)隔離段出口的節(jié)流板被慢慢推入流場(chǎng)并形成激波串，此時(shí)隔離段處于亞燃狀態(tài)，標(biāo)記為R1(Ramjet1)，此時(shí)各個(gè)通道壓力信號(hào)快速增大并伴隨振蕩。在隔離段流動(dòng)被節(jié)流板徹底阻滯之前，即隔離段不啟動(dòng)發(fā)生之前，節(jié)流板開(kāi)始退出，各通道壓力信號(hào)也隨之降低。隨著節(jié)流板逐漸退出隔離段流場(chǎng)，流道堵塞度降低，隔離段再次啟動(dòng)并進(jìn)入超燃狀態(tài)，將其標(biāo)記為S2(Scramjet2)，各通道壓力信號(hào)也恢復(fù)至S1狀態(tài)。為了驗(yàn)證節(jié)流速度對(duì)隔離段性能的影響，再次將節(jié)流板推入流場(chǎng)中，此次為快速節(jié)流，使隔離段再次處于亞燃狀態(tài)，標(biāo)記為R2(Ramjet2)。當(dāng)節(jié)流度增大并超過(guò)臨界值之后，隔離段不啟動(dòng)發(fā)生，標(biāo)記為U(Unstart)。之后風(fēng)洞停止運(yùn)行，由于上游總壓消失，所有通道壓力信號(hào)下降至相同大小。開(kāi)展這兩種方式的節(jié)流實(shí)驗(yàn)，是為了進(jìn)一步研究節(jié)流速度如何影響激波串的運(yùn)動(dòng)。根據(jù)圖9、10中的壓力數(shù)據(jù)，可以提取出隔離段下壁面中軸線的壓力分布隨時(shí)間的發(fā)展規(guī)律，隨著節(jié)流度的增大，隔離段出口反壓在逐漸增大的同時(shí)向上游入口傳遞，隔離段處于亞燃狀態(tài)，各點(diǎn)壓力信號(hào)的升高態(tài)勢(shì)從下游向上游傳遞，對(duì)應(yīng)于圖9、10中的R1、R2狀態(tài)。當(dāng)節(jié)流度繼續(xù)增大，不啟動(dòng)發(fā)生，隔離段內(nèi)被亞聲速流場(chǎng)貫穿，各點(diǎn)壓力值處于較高水平但相互之間差別不大，對(duì)應(yīng)圖9、10中的U狀態(tài)。從圖中還可以明顯看出壓力升高狀態(tài)從出口向上游入口傳遞，造成該現(xiàn)象的原因?qū)嶋H上是激波串在隔離段中的運(yùn)動(dòng)所導(dǎo)致，因而壓力的升高實(shí)際上是和激波串頭部位置的變化相關(guān)的。因此，進(jìn)一步分析并檢測(cè)激波串的頭部位置，就能夠揭示更多的激波串流場(chǎng)特性。

圖9 無(wú)控制各傳感器壓力-時(shí)間曲線

圖10 T控制各傳感器壓力-時(shí)間曲線

Fig.10TimehistoryofpressuresensordatawithT-shapedvortexgenertorcontrol

2.4 脈動(dòng)壓力特性

為研究激波串壓力脈動(dòng)特性并檢測(cè)激波串頭部到達(dá)位置，對(duì)壓力傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，運(yùn)用常見(jiàn)的統(tǒng)計(jì)分析方法如求平均、標(biāo)準(zhǔn)差、累和以及差分平方累和等進(jìn)行處理。如圖11所示，將上述這些方法應(yīng)用于兩種隔離段傳感器壓力數(shù)據(jù)，其中(a)為無(wú)控制慢速節(jié)流情況，(b)為無(wú)控制快速節(jié)流情況，(c)為T控制慢速節(jié)流情況，(d)為T控制快速節(jié)流情況。從分析結(jié)果來(lái)看，無(wú)控制和T控制兩種隔離段的分析結(jié)果相似，激波串前緣引起的壓力脈動(dòng)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(biāo)中，并采用不同尺度進(jìn)行無(wú)量綱化。因此，此處重點(diǎn)討論各曲線的趨勢(shì)，而非具體數(shù)值。

第一種處理方法是窗口平均法(Averaged)，原始?jí)毫?shù)據(jù)的采樣頻率為100kHz，窗口大小為100個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，因此得到頻率為1kHz的平均曲線。通過(guò)原始曲線與平均曲線的比較可以看出，兩者的趨勢(shì)相符，幅值差別不大，說(shuō)明被平均處理抹除的高頻壓力脈動(dòng)幅度很小，但是頻率較高。壓力曲線出現(xiàn)劇烈增大的部分實(shí)際上是激波串前緣位置的一個(gè)預(yù)示，可以作為一種判定標(biāo)準(zhǔn)。

第二種處理方法是標(biāo)準(zhǔn)方差法(Standard Deviation，STD)，該方法反映的是壓力脈動(dòng)分布，從圖中可以看出，當(dāng)激波串前緣位置到達(dá)傳感器時(shí)，往往出現(xiàn)大幅值的壓力脈動(dòng)。這也是判定激波串前緣的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，比在平均曲線中判斷壓力升高更為有效，因?yàn)槠淝€在激波串到達(dá)的前后位置有較為明顯的差別，便于檢測(cè)。

(a) 無(wú)控制慢速節(jié)流

(b) 無(wú)控制快速節(jié)流

(c) T控制慢速節(jié)流

(d) T控制快速節(jié)流

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

Chang等人[18]提出了一種差分絕對(duì)值累和方法，相對(duì)而言具有更好效果，其曲線在激波串前緣位置的區(qū)別度很高。該方法首先對(duì)原始?jí)毫η€求差分，然后取絕對(duì)值，之后進(jìn)行累和。為了進(jìn)一步增加曲線在激波串前后位置的區(qū)別度，本文采用平方處理替代取絕對(duì)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(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，一處是在激波串前緣到達(dá)時(shí)突然呈劇烈增大，另一處出現(xiàn)在不啟動(dòng)發(fā)生時(shí)或激波串退出之后。該曲線的另一個(gè)特點(diǎn)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(dǎo)致的誤判。

功率譜密度可以顯示信號(hào)中不同頻率分量的強(qiáng)度。無(wú)控制和T控制隔離段各傳感器壓力數(shù)據(jù)功率譜如圖12、13所示。首先，可以看出各傳感器信號(hào)具有類似的頻率分布，說(shuō)明在激波串從下游向上游傳遞的過(guò)程中其壓力的頻率分布沒(méi)有發(fā)生明顯變化，因此可以無(wú)差別地挑選某一傳感器的壓力信號(hào)作為研究對(duì)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(gè)峰值，而在25～45kHz之間存在連續(xù)的波動(dòng)，這說(shuō)明激波串壓力信號(hào)包含了低頻和高頻兩種主要特征，該特征也對(duì)激波串的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生了一定影響。另外，比較無(wú)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(shuō)明T控制狀態(tài)下，展向渦量并未對(duì)隔離段下壁面的壓力產(chǎn)生太大影響。

圖12 無(wú)控制隔離段各傳感器壓力數(shù)據(jù)功率譜

圖13 T控制隔離段各傳感器壓力數(shù)據(jù)功率譜

Fig.13PowerspectrumofthepressuredatawithT-shapedvortexgeneratorcontrol

3 結(jié) 論

針對(duì)激波串流場(chǎng)的時(shí)間平均結(jié)構(gòu)、瞬態(tài)結(jié)構(gòu)以及壓力特性在等截面隔離段模型中開(kāi)展了無(wú)控制和T控制兩種狀態(tài)的相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究，得到結(jié)論如下：

(1) 紋影技術(shù)得到的是時(shí)間、空間積分的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，紋影圖像可以很好地展現(xiàn)激波串的時(shí)均流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，NPLS技術(shù)得到的是流場(chǎng)某一截面的瞬態(tài)結(jié)構(gòu)，兩者都顯示了激波串的主要結(jié)構(gòu)特征，包括頭部激波、次激波等結(jié)構(gòu)形態(tài)。與紋影結(jié)果相比，NPLS圖像在流場(chǎng)精細(xì)結(jié)構(gòu)顯示方面更有優(yōu)勢(shì)，可以清晰顯示激波串、分離區(qū)、湍流邊界層等細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)。與無(wú)控制隔離段流場(chǎng)相比，T控制隔離段會(huì)產(chǎn)生相對(duì)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(chǎn)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(guò)對(duì)激波串前緣位置的研究發(fā)現(xiàn)，激波串的運(yùn)動(dòng)與下游的節(jié)流速度無(wú)關(guān)，相對(duì)而言，反壓的變化反而是描述激波串運(yùn)動(dòng)規(guī)律的更好途徑。

(3) 基于各壓力傳感器壓力數(shù)據(jù)功率譜分析的結(jié)果表明，無(wú)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(shí)存在主峰和局部峰值，高頻時(shí)存在連續(xù)波動(dòng)，且不同位置的壓力傳感器具有相同的特征。