隔离段激波串精细结构与压力特性实验研究

孔小平, 陈 植,*, 张扣立, 常 雨, 朱杨柱, 龚红明

(1. 中国空气动力研究与发展中心, 四川 绵阳 621000; 2. 陆军工程大学 爆炸冲击防灾减灾国家重点实验室, 南京 210007)

0 引 言

20世纪50年代以来，自高超声速飞行的概念被提出之后，吸气式推进技术受到广大科研工作者的极高重视。1964年，Curran和Stull[1]提出，人们普遍认为可以实现高超声速飞行最具有前景的推进系统是双模态超燃冲压发动机。它可以在来流马赫数为 3～5 的条件下运行于常规的亚燃模态，而在马赫数高于5之后切换至超燃模态。超燃冲压发动机的主要部件通常包括进气道、燃料注入系统、隔离段、燃烧室和尾喷管[2]。一般情况下，自由来流在进入发动机后、与燃料混合之前将由进气道对其进行预压缩，之后燃烧在超声速气流中组织，最后燃烧产物以气流的形式经过尾喷管被排出到周围大气中。然而，对于低超声速运行，还有一个关键的部件是必须的，那就是隔离段。隔离段连接了进气道和燃烧室，其重要作用是防止燃烧室逆压对进气道入流的干扰并提供额外压缩。

当双模态发动机处于亚燃冲压模式，隔离段内部出现强烈的激波/边界层干扰现象。多道激波以及受扰动边界层组成了复杂的预燃激波系统，从而使超声速流动减速至亚声速，其被称为激波串[3]。实际上，类似的多激波现象不仅发生于隔离段中，在某些气流通道中也会出现[4]。根据来流条件和出口条件，比如马赫数、压比和非对称边界条件等不同，激波串可能是一系列正激波或斜激波，主要取决于来流马赫数和边界层厚度[5]。通过激波串，压缩空气可以被调节以满足燃烧室入口条件。当燃烧室反压增大，可以通过增加激波串长度来调节和平衡隔离段与燃烧室之间的压力变化。

隔离段入口与出口之间的压力比值是一个重要参数。对于给定的隔离段，将激波串视为类激波，理论上的最大压比或最大反压是可以通过一维正激波关系式来进行估计的。然而，隔离段所能承受的最大真实压比是低于理论估计的。隔离段下游的不均匀燃烧可引起反压及压力脉动升高，使激波串被推向上游。但是，一旦反压高于最大值，激波串会被推出进气道，在进气道上游产生脱体的弓形激波导致发动机不启动。因此，发动机不启动的问题在隔离段设计时需要特别重视，否则可能导致严重的飞行灾难[6-7]。其他参数如激波串长度、非定常性、总压损失等，在一定程度上影响发动机的效率和性能[8-11]。

激波串前缘结构定位、不启动探测、发动机运行控制研究已经取得较大进展[12-26]。Wagner等[12-13]采用纹影和高频压力传感器研究了进气道/隔离段模型的不启动特性，测量了激波串向上游进气道的运动速度，在不启动发生时观察到较大幅值的压力波动。PIV的测量结果揭示了不启动流场的速度场特征，在隔离段出口发现了大面积流动分离。Srikant等[14]提出了不启动探测准则，包括压力提升、标准差、功率谱密度等。Donbar等[15-16]提出了另一个准则，即压力累和增量，并选择压力值、标准差和功率谱的150%增量作为阈值进行判断。

Greets等[27-28]运用纹影技术、阴影技术、背景导向纹影(Background-Oriented Schlieren, BOS)技术和油流技术系统研究了来流马赫数为2.5、矩形截面长宽比分别为3.0和6.0的隔离段流场结构，中心流动区域上游能够观察到边界层的分离，激波串前缘正激波脚也清晰可见，流场显示图像表明两种矩形截面隔离段中的激波串头部正激波与相交斜激波所在位置密度梯度很大。范晓樯和熊兵[29-30]等人运用高速纹影技术和高频压力传感器技术开展了马赫数为3的矩形截面隔离段激波串非定常特性实验研究，研究了激波串自激振荡和受迫振荡的压力分布情况，结果表明在稳定背压条件下存在200Hz以下的低频自激振荡，随着下游背压增加，激波串受迫振荡和自激振荡同时存在。

虽然在双模态超燃冲压发动机相关领域已经开展了很多工作，但是，由于激波串流场的复杂性，使得传统手段在研究中受到一定局限，激波串强烈的三维性和非定常性并没有被较完善地理解，仍需要进一步深入研究。本文在等截面隔离段模型中开展激波串/边界层相互干扰的瞬态流场特性研究。结合基于纳米示踪的平面激光散射技术(NPLS)和高频压力传感器对激波串的流场精细结构、压力分布、脉动及其上传特性进行分析。采用常规统计分析和差分平方累和方法研究激波串反压通过边界层内部向上游传播的动力学特点和激波串前缘定位准则。

1 实验设备及方法

1.1 隔离段风洞及NPLS系统

本研究在国防科技大学空气动力学实验室的直连式隔离段风洞中开展。如图1所示，该风洞为吸气式风洞，入口直接与大气环境相通，出口与真空设备连接，可用于模拟发动机隔离段冷态流场。图1中箭头所指方向即为气体流动方向。风洞主体结构包括：来流入口、稳定段、喷管段、等截面隔离段、扩张段、节流段等。图2为图1所对应的风洞剖视图，可以看到隔离段风洞的详细结构。入口1处的来流气体为经干燥除尘的空气。稳定段2用于粒子注入、提供粒子与来流充分混合的流动空间，同时降低来流扰动。喷管段3为采用基于B样条曲线的短化喷管设计技术、设计马赫数为2.5的超声速喷管，以再现超声速隔离段流场。等截面隔离段4是本文开展流动显示和高频瞬态压力测量的部分，其横截面为70mm×40mm的矩形，侧面尺寸为250mm×40mm，除底部外其余三面装有高质量光学玻璃用于实验成像和激光入射，而底部为高强度有机玻璃，在其上安装有高频压力传感器。扩张段5、6用于压力恢复。节流段7为等截面直通道，其尾部装有节流板，通过机械节流产生尾部逆压梯度的方式模拟来自真实发动机内燃烧室的反压。当节流板8逐渐推进流场，该截面的流动面积逐渐减小，流量降低，并在该节流板之前形成回流区，形成反压。由于逆压梯度的存在，超声速流动需要通过一系列激波来调节流动参数，进而形成激波串。当节流板进一步推进，激波串将被推向上游，甚至推出风洞喷管段，类似于发动机不启动的状态，此时整个隔离段风洞处于亚声速状态。在节流段入口处安装了总压耙10，用于测量激波串流场的总压恢复系数。

图1 直连式超声速隔离段实验风洞及NPLS测试系统

Fig.1Supersonicwindtunnelequippedwithflowvisualizationsystemfortheisolatortesting

图2 直连式超声速隔离段实验风洞剖视图

Fig.2Schematicsketchofthesupersonicwindtunnelconfiguration

NPLS技术是一种利用纳米粒子作为示踪粒子的流动结构精细显示技术，解决了在超声速/高超声速流场中的粒子跟随性问题，适用于测量高速复杂流场结构。本文所采用的NPLS系统如图1所示，包括粒子发生器系统、光源系统、成像系统、同步控制系统和计算机存储系统等。其中，纳米粒子发生器产生并撒播至流场中的纳米级示踪粒子为TiO2，名义粒径为10nm，具有良好的跟随性和光散射特性，能够准确地跟随超声速流场，同时有效地散射激光以利于提供高信噪比的实验图像。光源系统采用双腔Nd:YAG 脉冲激光器，可在设定的时序下由同步控制器控制并发出两束脉冲宽度为6ns的激光。激光经光臂和片光透镜组后形成厚度小于1mm的片光，并照射到感兴趣的流场区域。成像系统采用分辨率为2000pixel×2000pixel的行间传输双曝光CCD记录图像，其双曝光的时间间隔最短为0.2μs。同步控制器的时间精度为250ps，可根据计算机发出的指令对激光器与CCD进行同步控制，确保两束激光的出光时间与CCD两次曝光的时间相对应，从而获得超声速流场的瞬态图像。计算机则负责设置同步器参数、存储并处理图像数据。

1.2 压力测量系统及典型实验模型

高频压力测量采用了东华集团公司的DH5927信号采集系统。该系统具有16个测试通道，最高采样频率为128kHz。为方便测试，同时使用了16位A/D转换器。图3给出了隔离段底部传感器安装位置，在底部板的中心线上布置了传感器安装孔，安装孔的直径D为0.8mm，深度H为2mm，因此深宽比H/D是小于3的，其中第一个传感器T1中心线到隔离段入口的距离为27mm，T1中心线到T2中心线之间的距离为60mm，其余压力传感器T3、T4、T5中心线之间的间隔均为30mm。

图3 隔离段底板传感器安装孔配置剖视图

Fig.3Schematicconfigurationofthepressureorificesandsensorsonthebottomwall

为研究T形涡流发生器对隔离段激波串流场的影响，在无控制隔离段的侧壁内侧安装T形涡流发生器，如图4所示，从而能够很好地与无控制隔离段的测量结果进行对比研究。因此，在该隔离段实验风洞中可形成两种隔离段：一种是不带涡流发生器控制的隔离段，简称无控制隔离段；另一种是带T形涡流发生器控制的隔离段，简称T控制隔离段。

图4 T形涡流发生器安装示意图

2 结果与分析

2.1 时间平均结构

由于隔离段位于上游进气道与下游燃烧室之间，既受上游入口条件影响，又受出口反压作用，因此其流动结构相当复杂。图5所示为采用纹影技术得到的无控制隔离段慢速节流流场结构的图像序列，其中(a)～(d)所对应的下游反压不断增大，图中标出了图像序列所对应的时刻t和T5在该时刻测得的背压pb。从图中可以看出激波串结构比较明显，说明隔离段入口与出口之间的压力差通过激波串来回反射的波系结构进行了匹配。激波串头部结构为交叉的斜激波，紧跟其后的是λ形激波结构，最后是正激波。随着反压从30kPa不断增大到36kPa，激波串表现为整体向上游运动。然而当反压增大到隔离段所能承受的最大抗反压能力时，激波串将被推至隔离段出口。此时激波串将出现非常剧烈的振荡和不稳定性，只要反压略有增大，激波串将快速地被推出隔离段，并导致发动机不启动。

图5 无控制隔离段流场纹影图像序列(Ma=2.5)

Fig.5Schlierenimagesequenceoftheflowfieldstructuresoftheisolatorwithnocontrol(Ma=2.5)

图6所示为采用纹影技术得到的T控制隔离段慢速节流流场结构的图像序列，图中同样标出了图像序列所对应的时刻和T5在该时刻测得的背压。随着反压从30kPa不断增大到36kPa，激波串同样表现为整体向上游运动，同时可以发现前缘激波之后紧跟的几道激波也由开始的λ型激波转变成略带曲率的正激波。与无控制隔离段流场纹影图像序列不同的是图像序列中激波串的局部结构。由于T形涡流发生器能够产生展向涡，激波串受其作用而发生变形。首先是激波串前缘激波的结构变成了双边分叉的正激波，并且在其上游隐约出现微弱的展向波系，这是由于超声速气流遭遇涡流发生器的前缘而产生的。事实上，由于隔离段两侧壁面安装了T形涡流发生器，激波串流场受其作用后表现得更加具有对称性和二维性。另外，图5、6纹影图像序列的初始时刻ti不同，这是因为两个纹影图像序列分别是在两次不同的风洞实验中拍摄得到的，每个风洞运行车次中，均是人为判断风洞流场稳定之后手动点击纹影系统图像采集软件进行数据采集，导致纹影序列图像的初始时刻很难保持相同。

图6 T控制隔离段流场纹影图像序列(Ma=2.5)

Fig.6SchlierenimagesequenceoftheflowfieldstructuresoftheisolatorwithT-shapedvortexgeneratorcontrol(Ma=2.5)

由于传统的纹影技术存在一定的时间和空间积分效应，三维的、高频流动结构很难在纹影技术中清晰显示。因此可以看出，图5、6中边界层结构无法显示，而激波串的波系结构也较粗糙和模糊。所以，相对于激波串本身的高频振荡特性而言，纹影技术得到的是一定程度上的时间平均结构。

2.2 激波串瞬态流场结构

为更好地揭示激波串的精细结构，采用NPLS技术分别对两种隔离段纵向截面激波串流场进行了测量。如上文所述，由于NPLS技术采用纳米粒子进行示踪，而纳米粒子具有出色的跟随性、光散射特性，复杂的超声速流场在6ns脉宽的激光片光中被“冻结”，从而消除了时间、空间积分效应导致的结构模糊，因此能够得到比纹影图像更为精细的瞬态流场结构图像。

图7为采用NPLS技术得到的无控制隔离段在t=ti+8s、pb=35kPa时的激波串流场瞬态结构图像。可以看出,在该瞬态流场中，激波串由头部两道交叉的斜激波、一系列弯曲的正激波所组成。激波波系的线条非常锐利，在与边界层相互作用过程出现的波系变形也非常清晰。隔离段上下壁面的湍流边界层受到了扰动，在激波波系入射的几个区域，边界层厚度明显增大，表明在这几个区域边界层重复发生着分离与再附。由于边界层分离本身具有非定常性，而边界层分离又是由于激波串引起的，所以激波串非定常性与边界层非定常性在一定程度上耦合在一起。

图7 无控制隔离段纵向截面NPLS流场精细结构(Ma=2.5)

Fig.7NPLSimageoftheflowfieldstructuresoftheisolatorwithnocontrol(Ma=2.5)

同样采用NPLS技术对T控制隔离段的激波串流场进行测量，图8为T控制隔离段在t=ti+6s、pb=35kPa时的激波串流场瞬态结构图像。可以看出，T形涡流发生器产生的展向涡与激波串相互作用，激波串前缘结构为分叉正激波，并且紧跟其后的第二道激波实际上结构与其类似，但是强度减弱，因而看起来像弯曲的正激波。另外，在激波的分叉点位置，可以发现若干黑色的滑移线，而上下壁面的边界层厚度以及分离程度也相对减小。图7、8所示NPLS图像是在不同车次风洞实验中获得的，因此初始时刻ti也很难保证相同。

图8 T控制隔离段纵向截面NPLS流场精细结构(Ma=2.5)

Fig.8NPLSimageoftheflowfieldstructuresoftheisolatorwithT-shapedvortexgenertorcontrol(Ma=2.5)

2.3 时均压力分布

两种隔离段流场的壁面压力测量结果如图9、10所示。比较图9与10可以发现，无控制与T控制隔离段流场各点的压力信号没有出现明显的差别，两图中的压力曲线都呈先增长后递减然后再增长的趋势，这是因为实验都是采用两种方式进行的(分别是慢速节流和快速节流方式)。图中的压力曲线都可以分为S1、R1、S2、R2、U等五个部分，具体的运行过程是：当超声速隔离段风洞启动之后，在没有下游节流的情况下，隔离段处于超燃状态，标记为S1(Scramjet1)；当隔离段出口的节流板被慢慢推入流场并形成激波串，此时隔离段处于亚燃状态，标记为R1(Ramjet1)，此时各个通道压力信号快速增大并伴随振荡。在隔离段流动被节流板彻底阻滞之前，即隔离段不启动发生之前，节流板开始退出，各通道压力信号也随之降低。随着节流板逐渐退出隔离段流场，流道堵塞度降低，隔离段再次启动并进入超燃状态，将其标记为S2(Scramjet2)，各通道压力信号也恢复至S1状态。为了验证节流速度对隔离段性能的影响，再次将节流板推入流场中，此次为快速节流，使隔离段再次处于亚燃状态，标记为R2(Ramjet2)。当节流度增大并超过临界值之后，隔离段不启动发生，标记为U(Unstart)。之后风洞停止运行，由于上游总压消失，所有通道压力信号下降至相同大小。开展这两种方式的节流实验，是为了进一步研究节流速度如何影响激波串的运动。根据图9、10中的压力数据，可以提取出隔离段下壁面中轴线的压力分布随时间的发展规律，随着节流度的增大，隔离段出口反压在逐渐增大的同时向上游入口传递，隔离段处于亚燃状态，各点压力信号的升高态势从下游向上游传递，对应于图9、10中的R1、R2状态。当节流度继续增大，不启动发生，隔离段内被亚声速流场贯穿，各点压力值处于较高水平但相互之间差别不大，对应图9、10中的U状态。从图中还可以明显看出压力升高状态从出口向上游入口传递，造成该现象的原因实际上是激波串在隔离段中的运动所导致，因而压力的升高实际上是和激波串头部位置的变化相关的。因此，进一步分析并检测激波串的头部位置，就能够揭示更多的激波串流场特性。

图9 无控制各传感器压力-时间曲线

图10 T控制各传感器压力-时间曲线

Fig.10TimehistoryofpressuresensordatawithT-shapedvortexgenertorcontrol

2.4 脉动压力特性

为研究激波串压力脉动特性并检测激波串头部到达位置，对压力传感器数据进行分析，运用常见的统计分析方法如求平均、标准差、累和以及差分平方累和等进行处理。如图11所示，将上述这些方法应用于两种隔离段传感器压力数据，其中(a)为无控制慢速节流情况，(b)为无控制快速节流情况，(c)为T控制慢速节流情况，(d)为T控制快速节流情况。从分析结果来看，无控制和T控制两种隔离段的分析结果相似，激波串前缘引起的压力脉动非常明显。值得注意的是，为了便于比较，将采用不同处理方法得到的曲线绘制在同一坐标中，并采用不同尺度进行无量纲化。因此，此处重点讨论各曲线的趋势，而非具体数值。

第一种处理方法是窗口平均法(Averaged)，原始压力数据的采样频率为100kHz，窗口大小为100个数据点，因此得到频率为1kHz的平均曲线。通过原始曲线与平均曲线的比较可以看出，两者的趋势相符，幅值差别不大，说明被平均处理抹除的高频压力脉动幅度很小，但是频率较高。压力曲线出现剧烈增大的部分实际上是激波串前缘位置的一个预示，可以作为一种判定标准。

第二种处理方法是标准方差法(Standard Deviation，STD)，该方法反映的是压力脉动分布，从图中可以看出，当激波串前缘位置到达传感器时，往往出现大幅值的压力脉动。这也是判定激波串前缘的一个标准，比在平均曲线中判断压力升高更为有效，因为其曲线在激波串到达的前后位置有较为明显的差别，便于检测。

(a) 无控制慢速节流

(b) 无控制快速节流

(c) T控制慢速节流

(d) T控制快速节流

第三种处理方法是累和法(Accumulation)，累和曲线整体呈单调增长趋势，虽然在某些情况下具有一定的实用性，但在此处却没有明显地反映出激波串前后的差别，因而无法成为激波串前缘判定的标准。

Chang等人[18]提出了一种差分绝对值累和方法，相对而言具有更好效果，其曲线在激波串前缘位置的区别度很高。该方法首先对原始压力曲线求差分，然后取绝对值，之后进行累和。为了进一步增加曲线在激波串前后位置的区别度，本文采用平方处理替代取绝对值，记为差分平方累和方法(Integral)，即第四种处理方法。如图中所示，该方法得到的曲线存在2个转折点，一处是在激波串前缘到达时突然呈剧烈增大，另一处出现在不启动发生时或激波串退出之后。该曲线的另一个特点是曲线始终光滑，并非像原始曲线、平均曲线、STD等存在明显尖峰。这可以防止因这些尖峰而导致的误判。

功率谱密度可以显示信号中不同频率分量的强度。无控制和T控制隔离段各传感器压力数据功率谱如图12、13所示。首先，可以看出各传感器信号具有类似的频率分布，说明在激波串从下游向上游传递的过程中其压力的频率分布没有发生明显变化，因此可以无差别地挑选某一传感器的压力信号作为研究对象。其次，可以看出功率谱曲线在低频处存在主峰，在5～10kHz之间也存在2个峰值，而在25～45kHz之间存在连续的波动，这说明激波串压力信号包含了低频和高频两种主要特征，该特征也对激波串的运动产生了一定影响。另外，比较无控制和T控制两种隔离段激波串的功率谱，曲线分布基本一致，说明T控制状态下，展向涡量并未对隔离段下壁面的压力产生太大影响。

图12 无控制隔离段各传感器压力数据功率谱

图13 T控制隔离段各传感器压力数据功率谱

Fig.13PowerspectrumofthepressuredatawithT-shapedvortexgeneratorcontrol

3 结 论

针对激波串流场的时间平均结构、瞬态结构以及压力特性在等截面隔离段模型中开展了无控制和T控制两种状态的相关实验研究，得到结论如下：

(1) 纹影技术得到的是时间、空间积分的流场结构，纹影图像可以很好地展现激波串的时均流场结构，NPLS技术得到的是流场某一截面的瞬态结构，两者都显示了激波串的主要结构特征，包括头部激波、次激波等结构形态。与纹影结果相比，NPLS图像在流场精细结构显示方面更有优势，可以清晰显示激波串、分离区、湍流边界层等细节结构。与无控制隔离段流场相比，T控制隔离段会产生相对较薄的边界层以及一系列分叉正激波组成的激波串，且在隔离段中产生展向涡。

(2) 差分平方累和方法能够较好地判断激波串的前缘位置。通过对激波串前缘位置的研究发现，激波串的运动与下游的节流速度无关，相对而言，反压的变化反而是描述激波串运动规律的更好途径。

(3) 基于各压力传感器压力数据功率谱分析的结果表明，无控制、T控制两种隔离段激波串具有基本相同的功率谱特征，在低频时存在主峰和局部峰值，高频时存在连续波动，且不同位置的压力传感器具有相同的特征。