高超声速前缘分离中的非定常性

研究了高超声速前缘分离，以理解在新建成的高超声速 Ludwig 管（HLT）中，来流设计马赫数 $M_\infty=6.0$ 时，随来流雷诺数（$1.66 \times 10^5 \leq Re_D \leq 5.85 \times 10^5$）变化的激波相关非定常性。一个底面直径 $D=35$ mm 的轴对称平头圆柱，装有不同细度比（$L/D=1.4$ 时 $d/D=0.1,0.2,0.26,0.34$）和细长比（$d/D=0.2$ 时 $L/D=0.7,1,1.4,1.9$）的凸起，以诱导大范围的前缘分离强度。使用纹影成像、平面激光瑞利散射和非定常压力测量进行定性与定量评估。随着 $Re_D$ 变化，观察到了一种已知的来回激波运动（称为脉动）以及一种拍动激波-剪切层振荡。较短的凸起长度（$L/D=0.7$）产生的压力载荷比较长凸起长度的情况高四个数量级。存在一个临界分离长度（$L/D \geq 1.4$），超过该值后，分离剪切层转捩为湍流，并随 $Re_D$ 增大在再循环区引入脉动。若通过增大细度比（$d/D=0.4$）使再附角变浅，分离湍流剪切层的影响会被削弱一个数量级。还存在一个临界几何参数（$L/D=1, d/D=0.2$），基于此，非定常模态在上游脉动的影响下于连续运行间切换。由瑞利散射图像的模态分析，驱动拍动的前四个主导模态被识别为平移拍动、蛇形拍动、大尺度与小规模脱落。