關(guān)于作者
中科院力學(xué)所
JF12高超聲速激波風(fēng)洞（4）
力學(xué)園地
2015年12月27日
？？編者按：中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所的高溫氣體動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（LHD）在國(guó)家重大科研裝備研制計(jì)劃的支持下，于2008年1月正式啟動(dòng)了“復(fù)現(xiàn)高超聲速飛行條件激波風(fēng)洞”項(xiàng)目。在姜宗林研究員的主持下，LHD的相關(guān)研究團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)數(shù)年的努力，在2012年完成了研制任務(wù)。目前該風(fēng)洞命名“JF12高超聲速激波風(fēng)洞”，并已正式運(yùn)行。本刊將陸續(xù)介紹JF12風(fēng)洞研制的背景與意義，風(fēng)洞原理與關(guān)鍵技術(shù)的突破，以及利用它開展國(guó)家重大項(xiàng)目與學(xué)科前沿研究的情況。
JF12高超聲速激波風(fēng)洞（4）
如何增加激波風(fēng)洞的試驗(yàn)時(shí)間？ ？ 如前所說(shuō)，激波風(fēng)洞是一種標(biāo)準(zhǔn)的高超聲速地面實(shí)驗(yàn)裝置，可以產(chǎn)生高焓高速實(shí)驗(yàn)氣流。但是，通常的激波風(fēng)洞有一個(gè)“致命”的缺點(diǎn)，就是試驗(yàn)時(shí)間太短，一般在10毫秒量級(jí)。而對(duì)于高超聲速飛行器研究而言，特別是對(duì)于高超聲速推進(jìn)技術(shù)的研究，需要具有長(zhǎng)試驗(yàn)時(shí)間的地面模擬設(shè)備。JF12爆轟驅(qū)動(dòng)高焓激波風(fēng)洞的試驗(yàn)時(shí)間達(dá)到了100毫秒，它是如何實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)的呢？ ？ 研究表明，決定激波風(fēng)洞試驗(yàn)時(shí)間的長(zhǎng)短，有三個(gè)涉及到激波動(dòng)力學(xué)的關(guān)鍵問(wèn)題：（1）要滿足縫合條件，消除驅(qū)動(dòng)氣體與試驗(yàn)氣體的交界面（即接觸面）處的激波反射；（2）要消除激波管末端處的激波-邊界層干擾；（3）要減少噴管起動(dòng)激波對(duì)試驗(yàn)流場(chǎng)的干擾。圖1中標(biāo)示出在激波風(fēng)洞運(yùn)行過(guò)程中可用于穩(wěn)態(tài)模型試驗(yàn)的時(shí)間。這里，坐標(biāo)原點(diǎn)0位于驅(qū)動(dòng)段（Driver）和被驅(qū)動(dòng)段（Driven tube）交界處，圖中示出了入射激波（Incident shock）、接觸面（Interface）、反射激波（Reflected shock）、膨脹波波尾（Expansion tail）和反射膨脹波波頭（Reflected expansion head）等運(yùn)行波系。在研制JF12風(fēng)洞的過(guò)程中，先后發(fā)展了界面縫合技術(shù)、激波邊界層干擾控制技術(shù)和噴管起動(dòng)激波干擾弱化技術(shù)等三項(xiàng)技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)試驗(yàn)時(shí)間（大于100毫秒）的目標(biāo)。 ？
圖1 爆轟驅(qū)動(dòng)激波風(fēng)洞運(yùn)行波系圖
從物理上來(lái)看，爆轟驅(qū)動(dòng)激波風(fēng)洞運(yùn)行界面縫合技術(shù)實(shí)質(zhì)是一個(gè)驅(qū)動(dòng)氣體與試驗(yàn)氣體聲阻抗匹配的問(wèn)題，要使得反射波與接觸面相遇時(shí)完全透視。所以，對(duì)于界面縫合條件的解決策略，可以考慮兩個(gè)方面：（1）對(duì)于不同試驗(yàn)狀態(tài)，調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)氣體組分，改變爆轟后燃?xì)馕镄詤?shù)，以期控制聲阻抗；（2）利用定常/非定常膨脹的結(jié)合，改變爆轟后的燃?xì)鉁囟龋云谡{(diào)整聲速。 ？ 對(duì)于策略1，LHD進(jìn)行了不同組分和不同配比的試驗(yàn)，包括采用氫氧混合氣體（H2:O2=2:1）和乙炔/空氣混合氣體（C2H2:O2:N2=1:2.5:5）。圖2給出了試驗(yàn)結(jié)果，它們表明：在相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)條件下（參見圖中所示），應(yīng)用乙炔/空氣混合氣體可以比應(yīng)用氫氧混合氣體獲得更長(zhǎng)的有效試驗(yàn)時(shí)間，即前者約為7毫秒而后者約為4毫秒。而且，前者獲得的試驗(yàn)氣流具有更高的雷諾數(shù)（約為4108/米），因而應(yīng)用乙炔/空氣混合產(chǎn)生爆轟在進(jìn)行高雷諾數(shù)的氣動(dòng)試驗(yàn)方面具有更明顯的優(yōu)勢(shì)。
圖2 爆轟氣體的組分與配比對(duì)駐室壓力平穩(wěn)性的影響
對(duì)于策略2，依據(jù)俞鴻儒提出的“小驅(qū)大”思想，LHD采用了變截面技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)爆轟產(chǎn)物的有效膨脹，使其熱力學(xué)參數(shù)降低到滿足縫合條件的狀態(tài)。圖3是這種“小驅(qū)大”爆轟驅(qū)動(dòng)激波管的運(yùn)行波系圖，可以看到縫合條件得到了滿足，但又會(huì)出現(xiàn)二次波的問(wèn)題，它可能干擾激波風(fēng)洞駐室的狀態(tài)。進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)研究表明，如果應(yīng)用適當(dāng)?shù)呐蛎涍^(guò)程來(lái)控制二次波強(qiáng)度，那么由于粘性等影響，二次波最終可以發(fā)散成為一系列的膨脹波，從而大大降低其對(duì)駐室氣源狀態(tài)的干擾。
圖3 “小驅(qū)大”爆轟驅(qū)動(dòng)激波管運(yùn)行波系圖
正是采用了上述策略，JF12風(fēng)洞很好地達(dá)到了縫合狀態(tài)。圖4和5分別給出非縫合與縫合狀態(tài)下激波風(fēng)洞駐室壓力隨時(shí)間的變化?？梢钥吹?，在非縫合狀態(tài)下駐室壓力的穩(wěn)定性差，而縫合狀態(tài)下的穩(wěn)定性則提高了許多。
圖4 非縫合狀態(tài)下駐室壓力曲線
圖5 縫合狀態(tài)下駐室壓力曲線
關(guān)于激波-邊界層干擾問(wèn)題，其物理機(jī)制在于：由于邊界層內(nèi)外的流動(dòng)速度不同，會(huì)在氣流內(nèi)導(dǎo)致三激波結(jié)構(gòu)；此外，激波與邊界層作用會(huì)誘導(dǎo)邊界層分離，從而導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)氣體與試驗(yàn)氣體的摻混。圖6給出在三個(gè)相繼的時(shí)刻，激波風(fēng)洞中氣體的組分分布情況，其中藍(lán)色表示驅(qū)動(dòng)氣體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，紅色則表示試驗(yàn)氣體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。這個(gè)數(shù)值模擬結(jié)果表明了試驗(yàn)氣體的確被污染了。
圖6 激波風(fēng)洞中試驗(yàn)氣體被污染的過(guò)程
解決這個(gè)問(wèn)題的方法是在被驅(qū)動(dòng)段的末端附加隔離環(huán)，以此來(lái)抑止邊界層的發(fā)展，隔斷驅(qū)動(dòng)氣體的通道，以期延遲試驗(yàn)氣體與驅(qū)動(dòng)氣體的摻混（參見圖