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我院在含激波与分离的可压缩流动结构分析方面取得重要进展
(来源:航空宇航学院 作者:张金凤 编辑: 点击:213 发表时间:2018-11-05)
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近日,南京航空航天大学航空宇航学院非定常空气动力学与流动控制工业和信息化部重点实验室王成鹏老师在含激波和流场分离的高速可压缩流动结构的试验观察与理论模型研究方面取得了较大进展,相关成果以“Application of the Minimum Entropy Production Principle to Shock Reflection induced by Separation”为题发表在流体力学顶级期刊Journal of Fluid Mechanics上,该期刊在传统流体力学领域中国际排名第一,由剑桥大学出版社出版,影响因子为2.893,文章链接见:https://doi.org/10.1017/jfm.2018.762

激波在超/高超声速流场中几乎是最普遍存在的流动结构,与其相关的流动特征分析是现代高速飞行器研制过程中不能回避的问题,这类结构广泛存在于飞行器绕流和内流环境之中,在高速风洞的喷管、扩压器等部件中也随处可见。由流体中粘性和强逆压力梯度导致的流动分离结构也常常与激波相互伴随,形成了一类含激波和分离的复杂流场,相关流场结构的分析为航空航天领域的研究热点和难点之一。

本文的主要学术贡献是:在上述复杂流动结构的分析过程中引入热力学中的最小熵增原理,针对分离诱导激波结构现象构建了一套较为完整的初步理论模型框架,对该类流场的分析具有较好的普适性,应用该模型曾经较完美的解释了审稿人给出的试验算例,目前课题组利用该模型在来流马赫数2到5范围内已验证了国内、国外多组试验数据,理论与实验结果均吻合很好。在研究激波反射结构的非定常演化过程中,利用最小熵増的定量计算,能够判读激波结构的发展进程,从而为可能的流动控制的实施指明方向。另外,复杂流动中的分离区在流场随时间变化的过程中呈现了一种“自适应优化”结构,也就是说,分离区作为一种“虚拟气动楔面”,在流场中所取控制体受到外界强加的限制时,可以作为一种完美的“缓冲区”,它会自动遵循熵产生极小值的规律达到某种定态或准定态,从这一点讲人为的流动控制手段或措施应“顺应自然”或“因势利导”。最终的研究结果表明该类复杂流动结构是可以被成功预测的,这对高速飞行器的气动设计、流动控制等方面的研究都具有重要的指导意义。该工作的开展,将为含激波和分离的可压缩流动结构的分析增加了一个新思路,一系列过去无法解释的实验流动结构,有可能基于本文模型框架获得解释,目前课题组正在该方面持续进行研究。

该成果基于课题组长期的风洞试验数据分析和实验观察逐步发展而来,包含初期的定性实验现象分析、非定常定量数据整理、热力学与流体结构耦合建模、定量参数引进等。自2008年以来,相关工作得到了4项国家自然科学基金的资助,其中包含1项国家自然科学基金重大研究计划、2项面上项目和1项青年基金,另外还得到“十二五”863项目的部分资助以及江苏省高校重点学科项目的资助。本文工作是在“Experimental characteristics of oblique shock train upstream propagation, 2017 Chin. J. Aeronautics. 30, 663–676.”基础上的延续,同时这篇前期试验分析文章近日被评为“CJA 2013-2018年高被引论文”。

 


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