基于Ramp-VG陣列的超聲速混合層流動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)研究

夏梓豪, 丁浩林, 易仕和， 孫明波

(國(guó)防科技大學(xué)空天科學(xué)學(xué)院, 湖南長(zhǎng)沙 410073)

引言

當(dāng)紅外成像制導(dǎo)導(dǎo)彈在大氣層中以高速(通常指Ma>3)飛行時(shí), 通常需要利用冷卻氣膜隔離外部高溫主流對(duì)紅外光學(xué)窗口的加熱, 以避免飛行器光學(xué)窗口承受嚴(yán)重?zé)嶝?fù)荷, 造成窗口過熱淹沒目標(biāo)紅外信號(hào), 甚至造成成像窗口損壞[1-3]. 但是冷卻氣膜和光學(xué)窗口外部主流相互作用, 可能會(huì)形成包含邊界層、 激波、 混合層及其相互干擾形成的復(fù)雜流動(dòng)結(jié)構(gòu), 如圖1所示, 對(duì)目標(biāo)信號(hào)傳輸產(chǎn)生影響, 引起光線出現(xiàn)偏移、 抖動(dòng)、 擴(kuò)散以及能量消減, 這種現(xiàn)象一般統(tǒng)稱為氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)[4-6]. 在光學(xué)窗口附近的復(fù)雜流動(dòng)中, 混合層導(dǎo)致的光線抖動(dòng)、 擴(kuò)散和能量消減最為顯著, 占比可達(dá)90%[7]. 那么, 如何抑制混合層導(dǎo)致的氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)就成為消減光學(xué)窗口氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)的重中之重.

圖1 帶冷卻氣膜超聲速光學(xué)窗口流動(dòng)顯示測(cè)量結(jié)果[5]

目前國(guó)際上常用的流動(dòng)控制技術(shù)主要分為兩類: 主動(dòng)控制和被動(dòng)控制[8]. 相比于主動(dòng)控制, 被動(dòng)控制具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、 加工容易、 成本低廉和不需要額外能量輸入等優(yōu)勢(shì), 對(duì)于減小和優(yōu)化飛行器質(zhì)量和構(gòu)型具有重要意義, 在工程實(shí)現(xiàn)上難度相對(duì)較小, 目前應(yīng)用比較廣泛[9-11]. 與此同時(shí), 被動(dòng)控制裝置(狹義上指渦流發(fā)生器)有多種構(gòu)型. 1960年, Schubauer等[12]研究了不可壓流動(dòng)中“混合增強(qiáng)裝置”(包括犁型、 魚鰭型、 槽型、 斜坡型等構(gòu)型)對(duì)邊界層內(nèi)逆壓梯度區(qū)的作用和影響, 發(fā)現(xiàn)混合增強(qiáng)裝置的作用效果不一, 但都能夠降低逆壓梯度區(qū)的壓力梯度. 1990年, Lin等[13]用油膜法研究了低速情況下多種被動(dòng)控制技術(shù)對(duì)曲面后臺(tái)階流動(dòng)的控制效果, 發(fā)現(xiàn)斜坡型、 人字型、 拱型等構(gòu)型的渦流發(fā)生器可以減小后臺(tái)階后的流動(dòng)分離, 引起一部分壓力恢復(fù). 2006年, Anderson等[14]在NASA/GRC 15 cm×15 cm超聲速風(fēng)洞中研究了3種構(gòu)型的微型渦流發(fā)生器陣列對(duì)激波/邊界層干擾(shock boundary layer interaction, SBLI)的控制作用, 發(fā)現(xiàn)微型ramp陣列的控制效果最好, 與邊界層抽吸的效果相似, 并且得到了ramp的最優(yōu)設(shè)計(jì). 此后, Blinde等[15]和Ford等[16]利用Anderson的結(jié)果對(duì)SBLI問題進(jìn)行了深入研究, Ramp-VG由此開始成為研究熱點(diǎn). 不過, 關(guān)于RVGA對(duì)超聲速混合層具有怎樣的控制作用, 國(guó)際上還沒有相關(guān)的研究.

本文利用NPLS技術(shù), 獲取了有/無(wú)Ramp-VG控制下超聲速混合層的流動(dòng)顯示結(jié)果, 分析其流動(dòng)控制機(jī)理, 進(jìn)而為該技術(shù)應(yīng)用于帶氣膜冷卻光學(xué)窗口氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)抑制提供理論支撐.

1 Ramp-VG

早在1960年, Schubauer等[12]就提出了Ramp-VG, 只不過那時(shí)Ramp-VG被歸類為“混合增強(qiáng)裝置”, 2006年Anderson等[14]利用Response Surface Methodology(RSM)方法計(jì)算得到SBLI流動(dòng)控制問題中Ramp-VG的最優(yōu)設(shè)計(jì)參數(shù)以后， Ramp-VG才開始作為一種獨(dú)立的渦流發(fā)生器出現(xiàn)并被廣泛用于流動(dòng)控制, 見圖2.

圖2 Anderson Ramp-VG幾何構(gòu)型[14]

Anderson Ramp-VG是一個(gè)三角形前臺(tái)階, 獨(dú)立設(shè)計(jì)參數(shù)有3個(gè), 分別是高度h、 弦長(zhǎng)c和入射角α.結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、 變量明確是Anderson Ramp-VG的優(yōu)點(diǎn)之一, 研究者可以據(jù)此研究各個(gè)參數(shù)對(duì)其性能的影響, 針對(duì)一類問題, 容易得到系統(tǒng)的、 全面的Ramp-VG設(shè)計(jì)參數(shù). 此外, 相比于其他構(gòu)型的渦流發(fā)生器, Ramp-VG更加結(jié)實(shí)堅(jiān)固, 不易損壞, 實(shí)驗(yàn)時(shí)更加安全, 也更容易運(yùn)用到工程實(shí)際當(dāng)中.

Babinsky等[17]通過油膜法研究, 詳細(xì)描述了Ramp-VG周圍的流場(chǎng)結(jié)構(gòu), 如圖3所示. 這對(duì)于解釋和分析單列Ramp-VG陣列的流動(dòng)現(xiàn)象和流動(dòng)機(jī)理有巨大的幫助. 首先, 來(lái)流與Ramp-VG相遇并在其前緣產(chǎn)生微小的分離區(qū), 隨后, 這個(gè)分離區(qū)產(chǎn)生一個(gè)非常細(xì)小的馬蹄渦. 尾流區(qū)的主要特征是由一對(duì)反向旋轉(zhuǎn)的1階渦構(gòu)成的人字形渦結(jié)構(gòu). 在Ramp-VG和壁面連接處, 1階渦引起的流動(dòng)分離產(chǎn)生了一個(gè)2階小渦. 在Ramp-VG后緣有一個(gè)小的流動(dòng)分離區(qū), 也會(huì)產(chǎn)生一個(gè)2階小渦.

圖3 單個(gè)Ramp-VG周圍的流場(chǎng)示意圖[17]

將多個(gè)Ramp-VG按照一定的形式組合起來(lái)便可以得到渦流發(fā)生器陣列, 其獨(dú)立設(shè)計(jì)參數(shù)有兩個(gè), 分別是安裝間距s和安裝位置Xp, 如圖4所示. 其優(yōu)點(diǎn)是能夠在更寬廣的空間范圍內(nèi)得到規(guī)律性的尾流區(qū), 這也是實(shí)際工程應(yīng)用中的布置方式, 因?yàn)椴豢赡苤挥?個(gè)或2個(gè)Ramp-VG來(lái)綜合改變尾流狀態(tài).

圖4 Ramp-VG陣列示意圖

Ramp-VG陣列可以有多種形式. 可以是單列也可以是雙列甚至多列, 多列時(shí)可以交錯(cuò)排列也可以前后對(duì)齊. Schubauer等[12]通過研究指出, 不可壓情況下s和Xp取適當(dāng)值時(shí), 單列渦流發(fā)生器改善流動(dòng)分離的效果比多列要好. Schreyer等[9]實(shí)驗(yàn)研究了一種兩列渦流發(fā)生器陣列對(duì)SBLI的影響, 發(fā)現(xiàn)其極大改變了流場(chǎng)結(jié)構(gòu), 使得原本的二維干擾區(qū)發(fā)展成三維干擾區(qū).

目前關(guān)于單列渦流發(fā)生器陣列的研究較多, 因?yàn)槿藗儗?duì)單個(gè)Ramp-VG的作用機(jī)理研究較為透徹, 單列Ramp-VG陣列變量少、 容易控制、 便于研究. 多列Ramp-VG陣列形式多樣、 控制機(jī)理尚不明確, 目前還沒有太多的相關(guān)研究. 本文的研究問題比較新穎, 因此采用單列Ramp-VG陣列進(jìn)行研究.

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

2.1 超聲速混合層風(fēng)洞

本文實(shí)驗(yàn)均在國(guó)防科技大學(xué)超聲速混合層風(fēng)洞中進(jìn)行, 該風(fēng)洞是一座吸氣式直連超聲速風(fēng)洞, 風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)段尺寸為100 mm×120 mm. 穩(wěn)定段低速側(cè)(上側(cè))安裝有調(diào)壓閥和整流器, 可以連續(xù)調(diào)節(jié)低速側(cè)的壓力, 得到壓力匹配混合層流場(chǎng)， 見圖5.

圖5 國(guó)防科技大學(xué)超聲速混合層風(fēng)洞示意圖

實(shí)驗(yàn)總溫T0=303 K, 來(lái)流Ma1=3.6(下噴管)、Ma2=2.6(上噴管). 高速側(cè)總壓P01=101.0 kPa, 低速側(cè)靜壓P2由噴管前緣的壁面靜壓孔測(cè)得, 由于穩(wěn)定段內(nèi)部氣流速度較低, 則低速側(cè)總壓P02≈P2=19.2 kPa. 空氣濕度75%. 噴管段中間隔板后緣的邊界層名義厚度δ99≈1 mm.

根據(jù)等熵關(guān)系式、 聲速定義式和對(duì)流Mach數(shù)定義式可以計(jì)算出噴管出口的流場(chǎng)參數(shù)

式中,Ts為靜溫,T0為總溫,γ為比熱比(γ=1.4),R為氣體常數(shù)(R=287 J·kg-1·K-1),Ma為噴管Mach數(shù),a為聲速,Mac為對(duì)流Mach數(shù). 計(jì)算后得到的超聲速混合層流場(chǎng)參數(shù)如表1所示.

表1 超聲速混合層流場(chǎng)參數(shù)

2.2 RVGA

實(shí)驗(yàn)所用的RVGA為單列構(gòu)型, 其參數(shù)均為自主設(shè)計(jì), 其幾何參數(shù)如圖6所示,a為Ramp-VG尖端的寬度,d為Ramp-VG凹槽的寬度,D為相鄰兩個(gè)Ramp-VG尖端的間距,h為Ramp-VG尖端的高度,L為Ramp-VG底部斜邊的長(zhǎng)度, 2α為Ramp-VG底部?jī)尚边叺膴A角.

圖6 RVGA示意圖

相比于常規(guī)Ramp-VG, 可以看到模型的后緣被削平, 使得模型總體上呈梯形(這一構(gòu)型最早由Verma等[11]提出, 用于研究對(duì)激波邊界層干擾的控制作用), 這是為了便于加工, 因?yàn)槟Ｐ偷母叨葍H為1 mm(h～δ99); 同時(shí), 模型中Ramp-VG數(shù)量較多, 間距D較小, 所有的Ramp-VG連為一體, 以便于模型安裝和減小安裝誤差.

2.3 NPLS技術(shù)

NPLS技術(shù)是一種新型流動(dòng)顯示技術(shù), 其核心是采用納米粒子作為示蹤粒子, 具有高時(shí)空分辨率和高信噪比. 圖7為NPLS系統(tǒng)示意圖[18], 系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)、 同步控制器、 CCD相機(jī)、 脈沖激光光源、 納米粒子發(fā)生器、 光臂和片光鏡頭組成.

圖7 NPLS系統(tǒng)示意圖[19]

納米粒子發(fā)生器能夠?yàn)榱鲌?chǎng)提供均勻連續(xù)的納米示蹤粒子; 同步控制器用于控制相機(jī)、 激光器、 納米粒子發(fā)生器和圖像采集卡的工作時(shí)序, 其時(shí)間精度為0.25 ns; 激光光源為雙腔 Nd∶YAG 激光器, 輸出波長(zhǎng)532 nm, 脈沖持續(xù)時(shí)間6 ns, 單脈沖最高能量為350 mJ; 本實(shí)驗(yàn)中采用的CCD相機(jī)的分辨率為2 000×2 000, 每個(gè)像素的灰度等級(jí)為4 096; 光臂用于激光束的傳輸; 片光鏡頭則用于將準(zhǔn)直激光束轉(zhuǎn)換為實(shí)驗(yàn)所需的片光光源, 實(shí)驗(yàn)中所用片光鏡頭焦距為50 mm, 束腰厚度約為1 mm. 已有大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明, NPLS技術(shù)能夠很好地再現(xiàn)超聲速流場(chǎng)中的激波、 膨脹波、 滑移線、 湍流邊界層和混合層等精細(xì)流動(dòng)結(jié)構(gòu), 完全滿足本文實(shí)驗(yàn)中對(duì)超聲速混合層流場(chǎng)結(jié)構(gòu)拍攝的需求.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)中坐標(biāo)系定義如下: 以噴管段中間隔板后緣為原點(diǎn), 平行于隔板向出口方向?yàn)閄軸正方向, 垂直于隔板向上為Z軸正方向,Y軸方向按右手定則確定. RVGA與Y軸平行, 安裝在中間隔板上側(cè)X=-10 mm處, 見圖8.

圖8 實(shí)驗(yàn)條件及坐標(biāo)系定義

實(shí)驗(yàn)均在混合層壓力平衡條件下進(jìn)行. 不加Ramp-VG陣列, 在連續(xù)微調(diào)調(diào)壓閥的同時(shí)觀察混合層紋影圖像, 直到混合層層流段呈水平, 則認(rèn)為混合層壓力達(dá)到平衡, 如圖9所示. 圖像尺寸為190 mm×38 mm.

圖9 混合層時(shí)間平均紋影圖像

3.1 無(wú)控狀態(tài)下超聲速混合層的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)

圖10是無(wú)控狀態(tài)下拍攝到的兩幅超聲速混合層流向NPLS圖像, 尺寸均為195 mm×32 mm, 拍攝間隔5 μs, 圖像空間分辨率為0.106 mm/pixel, 圖像左側(cè)距離原點(diǎn)3 mm, 層流段長(zhǎng)度33.6 mm. 選取圖中特征最明顯的流動(dòng)結(jié)構(gòu)作為特征結(jié)構(gòu)A, 通過測(cè)量發(fā)現(xiàn)A的移動(dòng)距離為ΔS1=2.63 mm, 從而計(jì)算出A的運(yùn)動(dòng)速度為526 m/s. 超聲速混合層具有快運(yùn)動(dòng)、 慢變化的特征, 故在5 μs時(shí)間間隔內(nèi), 大尺度渦結(jié)構(gòu)的變形不明顯, 只是整體上向下游移動(dòng)了一段距離. 在圖中可以觀察到非常清晰的K-H不穩(wěn)定渦, 如虛線框內(nèi)所示, 其平均波長(zhǎng)為λ=12.7 mm.隨后, K-H 不穩(wěn)定渦繼續(xù)向下游移動(dòng)并逐漸破碎, 混合層厚度不斷增加, 最終發(fā)展成完全的湍流.

圖10 無(wú)控狀態(tài)下的超聲速混合層NPLS圖像

需要指出的是, 由于原始圖像較暗, 無(wú)法辨識(shí)出混合層, 因此對(duì)圖像做了亮度和對(duì)比度的調(diào)整. 經(jīng)過處理后的圖像左側(cè)存在暗區(qū), 說明在實(shí)驗(yàn)中激光片光打得不夠均勻; 另外, 圖像中存在一些大顆粒和玻璃劃痕. 這些問題并不影響對(duì)于超聲速混合層流動(dòng)現(xiàn)象和流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的分析, 特此說明.

3.2 RVGA對(duì)超聲速混合層的流動(dòng)控制效果

圖11， 12是加入RVGA控制的超聲速混合層流向NPLS圖像. 圖像尺寸、 空間分辨率和拍攝間隔均與圖10相同.

圖11是y0位置的流動(dòng)控制結(jié)果. 從圖中測(cè)得K-H不穩(wěn)定渦的平均波長(zhǎng)為λ=9.1 mm, 層流段長(zhǎng)度34.5 mm. 選取圖中特征最明顯的流動(dòng)結(jié)構(gòu)作為特征結(jié)構(gòu)B, 通過測(cè)量發(fā)現(xiàn)B的移動(dòng)距離為ΔS2=2.77 mm, 從而計(jì)算出B的運(yùn)動(dòng)速度為554 m/s. 與無(wú)控狀態(tài)下超聲速混合層的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)相比, 加入RVGA后y0處混合層層流段長(zhǎng)度增加了2.7%, 并且混合層中的渦結(jié)構(gòu)在形態(tài)、 尺寸和運(yùn)動(dòng)速度上都出現(xiàn)了明顯的變化. 首先, 渦流發(fā)生器的控制作用使得渦的運(yùn)動(dòng)速度提高了5.3%; 其次, K-H不穩(wěn)定渦提前破碎, 渦結(jié)構(gòu)的尺寸明顯變小(其中K-H不穩(wěn)定渦的平均波長(zhǎng)減小了28.3%), 混合層的各向同性增加; 第三, 混合層厚度明顯降低. 根據(jù)Babinsky的理論可以做如下解釋:y0兩側(cè)的Ramp-VG邊緣產(chǎn)生了一對(duì)向下的反向旋轉(zhuǎn)渦, 將上側(cè)噴管內(nèi)自由流中的高動(dòng)量流體卷入噴管隔板邊界層(后文簡(jiǎn)稱為邊界層), 與其中的低動(dòng)量流體摻混, 提高了邊界層的平均能量, 進(jìn)而導(dǎo)致隔板后緣形成的超聲速混合層的平均能量升高, 最終導(dǎo)致渦結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)加快. 同時(shí), 邊界層能量的升高使得混合層的前期發(fā)展更加穩(wěn)定, 但也使混合層轉(zhuǎn)捩開始時(shí)渦的破碎提前. 并且, 這種動(dòng)量下卷效應(yīng)壓縮了渦流發(fā)生器的尾流邊界層的厚度, 相當(dāng)于增加了低速側(cè)的壓強(qiáng), 從而使得混合層厚度明顯減小.

圖11 施加控制時(shí)y0處的超聲速混合層NPLS圖像

圖12是y1/2位置的流動(dòng)控制結(jié)果. 從圖中測(cè)得K-H不穩(wěn)定渦的平均波長(zhǎng)為λ=12.1 mm, 層流段長(zhǎng)度37.9 mm. 選取圖中特征最明顯的流動(dòng)結(jié)構(gòu)作為特征結(jié)構(gòu)C, 通過測(cè)量發(fā)現(xiàn)C的移動(dòng)距離為ΔS3=2.99 mm, 從而計(jì)算出C的運(yùn)動(dòng)速度為 598 m/s. 與無(wú)控狀態(tài)下超聲速混合層的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)相比, 加入RVGA后y1/2處混合層的層流段長(zhǎng)度增加了12.8%, 渦的運(yùn)動(dòng)速度提高了13.7%. 同樣,y1/2處的K-H不穩(wěn)定渦提前破碎, 渦結(jié)構(gòu)的尺寸有所減小(其中K-H不穩(wěn)定渦的平均波長(zhǎng)減小了4.7%), 混合層的各向同性增加, 混合層厚度明顯增加. 其成因分析如下: 首先,y1/2處的Ramp-VG前緣使邊界層中的低動(dòng)量流體抬升, 與自由流中的高動(dòng)量流體充分摻混, 使邊界層能量升高; 然后, 經(jīng)過摻混的流體流過Ramp-VG后緣(相當(dāng)于一個(gè)90°角的后臺(tái)階)后再附到隔板表面, 成為新的邊界層; 最后, 尾流中存在一對(duì)向上的反向旋轉(zhuǎn)渦, 使得邊界層內(nèi)的流體存在加速向上脫離壁面的趨勢(shì), 進(jìn)而使得混合層上卷, 導(dǎo)致混合層厚度明顯增加. 與y0處相比, y1/2處邊界層與自由流的動(dòng)量摻混效率更高, 隔板邊界層的能量得到改善, 使得混合層的層流段長(zhǎng)度得到進(jìn)一步延伸, 渦的運(yùn)動(dòng)速度更大, K-H不穩(wěn)定渦的破碎也更加提前. 并且, 這種動(dòng)量上卷效應(yīng)提高了渦流發(fā)生器尾流邊界層的厚度.

圖12 施加控制時(shí)y1/2處的超聲速混合層NPLS圖像

可以看出, 提高上側(cè)噴管隔板邊界層的能量能夠在一定程度上改善混合層的流場(chǎng), 達(dá)到增強(qiáng)或減弱摻混、 減小渦結(jié)構(gòu)各向異性、 提高流動(dòng)速度和推遲轉(zhuǎn)捩等目的.

3.3 分形分析

分形理論與湍流結(jié)合的可行性已經(jīng)被許多研究驗(yàn)證[19-21], 通過計(jì)算分形維數(shù)(fractal dimension)來(lái)揭示湍流圖像的內(nèi)部規(guī)律. 超聲速混合層中同時(shí)存在著層流和湍流, 以及大尺度渦結(jié)構(gòu)和小尺度渦結(jié)構(gòu), 不具有特征長(zhǎng)度; 且其整體和局部特征具有自相似性, 是分形理論研究的典型對(duì)象之一.

分形維數(shù)的計(jì)算方法包括“腳規(guī)”法、 “香腸”法和“數(shù)盒子”法等. 其中, “數(shù)盒子”法具有數(shù)字化處理過程方便, 網(wǎng)格尺度容易改變等優(yōu)點(diǎn), 是處理湍流的常用方法之一[22], 其計(jì)算公式為[23]

式中,Si表示第i個(gè)待分形區(qū)域,Nε(Si)是Si中含有湍流邊緣的正方形網(wǎng)格(像素)數(shù)目,ε是網(wǎng)格的寬度.

圖13是用Canny邊緣檢測(cè)算子捕捉到的超聲速混合層界面, 為了研究流動(dòng)的流向演化過程, 從x=18 mm開始將圖像均分為12段, 每段長(zhǎng)為15 mm, 逐一計(jì)算各段的分形維數(shù), 計(jì)算結(jié)果如圖14所示.

(a) Without control

圖14 沿流向分形維數(shù)分布

首先, 可以看出, 在任一情況下, 分形維數(shù)d都是在起伏中上升, 并最終穩(wěn)定在一個(gè)值ds附近.無(wú)控狀態(tài)時(shí)ds=1.58, 加入RVGA控制后y0處ds=1.62,y1/2處ds=1.55.折線圖的變化趨勢(shì)與NPLS圖像顯示的混合層發(fā)展過程相一致, 混合層前段是受速度剪切支配的, 為層流狀態(tài), 故分形維數(shù)較低, 隨著混合層向下游運(yùn)動(dòng), 展向渦的配對(duì)與合并導(dǎo)致混合層失穩(wěn), 混合層厚度增加, 大渦破碎為小渦, 混合層逐漸發(fā)展為湍流狀態(tài), 流動(dòng)的分形維數(shù)保持在1.6左右.

其次, 引入控制后混合層的分形維數(shù)增長(zhǎng)幅值大大改變.y0處的分形維數(shù)幅值增加,y1/2處的分形維數(shù)幅值減小. 這個(gè)變化說明, RVGA的控制作用改變了y0處和y1/2處的超聲速混合層的湍流發(fā)展?fàn)顟B(tài),y0處的湍流發(fā)展得到了加強(qiáng),y1/2處的則得到了減弱.

4 結(jié)論

本文初次研究了RVGA(單列)對(duì)超聲速混合層的流動(dòng)控制作用, 基于NPLS技術(shù)拍攝了無(wú)控和控制狀態(tài)下的混合層流場(chǎng)圖像. 通過比較各流動(dòng)狀態(tài)下混合層的層流段長(zhǎng)度、 運(yùn)動(dòng)速度、 渦結(jié)構(gòu)尺寸和形態(tài), 以及分形分析, 得出了RVGA對(duì)超聲速混合層的控制機(jī)理: 通過斜坡形成的向上(下)反向旋轉(zhuǎn)渦對(duì), 實(shí)現(xiàn)隔板邊界層和自由流中的流體摻混, 提高隔板邊界層的能量, 進(jìn)而使得混合層的能量分布得以改善, 達(dá)到推遲轉(zhuǎn)捩、 改變摻混強(qiáng)度、 提高流動(dòng)速度和減小渦結(jié)構(gòu)各向異性等目的, 最終, 為帶氣膜冷卻光學(xué)窗口氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)抑制提供理論支撐. 在本文的實(shí)驗(yàn)條件下, 混合層流動(dòng)速度提高了5%～15%,y1/2處的層流段長(zhǎng)度增加了12.8%, K-H不穩(wěn)定渦的平均波長(zhǎng)減小了 5%～30%.

致謝感謝自然科學(xué)基金(11832018, 12102463)、 湖南省自然科學(xué)基金(2021JJ40652)、 國(guó)防科技大學(xué)科研計(jì)劃項(xiàng)目(ZK21-19)以及國(guó)防科技大學(xué)空天科學(xué)學(xué)院青年人才重大自主研究項(xiàng)目的資助.