高焓激波風(fēng)洞背景

由于驅(qū)動(dòng)能力或者高溫高壓氣源的限制，以及設(shè)備材料的強(qiáng)度束縛，目前地面上完整復(fù)現(xiàn)真實(shí)高超聲速飛行的來流條件和尺度仍然是一個(gè)非常有挑戰(zhàn)性的課題，地面試驗(yàn)設(shè)備通常是模擬高超聲速流動(dòng)的某些關(guān)鍵參數(shù)來研究與之相關(guān)的流動(dòng)現(xiàn)象 。

高焓激波風(fēng)洞以其較高的焓值，可產(chǎn)生模擬高超聲速飛行所需的速度及總溫條件，具有研究高溫真實(shí)氣體效應(yīng)的能力。相比于其他高焓設(shè)備如激波管（試驗(yàn)時(shí)間短）、彈道靶（模型尺度小）和電弧風(fēng)洞（總溫不足）等，它具有不可替代的優(yōu)勢及廣泛的發(fā)展前景，是當(dāng)前開展再入問題研究的有效地面試驗(yàn)設(shè)備 。

高焓激波風(fēng)洞利用強(qiáng)激波將空氣加熱到很高的溫度和壓力，然后通過噴管將加熱氣源膨脹加速到設(shè)計(jì)的馬赫數(shù)。與國際上所有的高焓激波風(fēng)洞類似，壓縮試驗(yàn)氣體的強(qiáng)激波速度較高，導(dǎo)致高焓激波風(fēng)洞流場試驗(yàn)時(shí)間一般很短，僅為毫秒量級(jí)，且焓值越高，試驗(yàn)時(shí)間越短，如T4自由活塞激波風(fēng)洞在焓值大于15MJ/kg時(shí)，試驗(yàn)時(shí)間小于1ms。另外，有效試驗(yàn)時(shí)間受到噴管起動(dòng)激波、反射激波/邊界層/接觸面相互作用導(dǎo)致的氣體污染等影響，使得風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)曲線中有效區(qū)域的分辨存在較大的難度，進(jìn)而影響到試驗(yàn)結(jié)果的可靠性以及精度，因此確定高焓激波風(fēng)洞流場的有效試驗(yàn)時(shí)間成為風(fēng)洞試驗(yàn)的必需。

由爆轟驅(qū)動(dòng)段、卸爆段、被驅(qū)動(dòng)段、噴管、試驗(yàn)段、真空容器及真空抽氣機(jī)等組成。試驗(yàn)噴管出口直徑為500mm，錐度為7°7′的錐形噴管，喉道直徑為11mm。利用驅(qū)動(dòng)段爆轟波后產(chǎn)生的高溫、高壓氣體作為驅(qū)動(dòng)氣體，風(fēng)洞可以在獲得高總焓的同時(shí)具有高總壓的試驗(yàn)氣流，具有模擬高溫氣體效應(yīng)的能力。大量的理論分析、試驗(yàn)研究以及數(shù)值模擬為其工作原理、驅(qū)動(dòng)性能及驅(qū)動(dòng)的關(guān)鍵技術(shù)方面提供了可靠的依據(jù)，并且改善了試驗(yàn)氣流的品質(zhì)。2100433B

利用氣流通過激波時(shí)密度突變的特性，可借助光學(xué)儀器將激波形狀顯示出來或拍攝成像。飛行器在飛行中，激波的產(chǎn)生和它的形狀，對飛行器空氣動(dòng)力有很大影響，一些國家對高速飛行的飛行器作了大量的試驗(yàn)和研究，以便采用合適外形，推遲激波產(chǎn)生或減小波阻。激波可使氣體壓強(qiáng)和溫度突然升高，因此，在氣體物理學(xué)中常利用激波來產(chǎn)生高溫和高壓，以研究氣體在高溫和高壓下的性質(zhì)。利用固體中的激波，可使固體壓強(qiáng)達(dá)到幾百萬大氣壓（1大氣壓等于101325帕），用以研究固體在超高壓下的狀態(tài)。這對解決地球物理學(xué)、天體物理學(xué)和其他科學(xué)領(lǐng)域內(nèi)的問題有重要意義。

在實(shí)際氣體中，激波是有厚度的。在只考慮氣體粘性和熱傳導(dǎo)作用的條件下，由理論計(jì)算可知，激波的厚度很小，與氣體分子的平均自由程同數(shù)量級(jí)。對于標(biāo)準(zhǔn)狀況下的空氣，激波厚度約為10^-5毫米。在空氣動(dòng)力學(xué)中常把激波當(dāng)作厚度為零的不連續(xù)面，稱為強(qiáng)間斷面。氣體經(jīng)過激波時(shí)，速度和溫度都發(fā)生突躍變化，粘性和導(dǎo)熱作用很大。在氣體溫度很高，激波很強(qiáng)的情況下，甚至氣體的熱力學(xué)平衡狀態(tài)也會(huì)遭到破壞。這種破壞過程是不可逆過程，按熱力學(xué)第二定律，氣體的熵增加，同時(shí)有很大一部分機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能，這就是所謂激波損失。在超聲速流動(dòng)中，一般總會(huì)產(chǎn)生激波。對于作超聲速運(yùn)動(dòng)的飛行器，激波的出現(xiàn)會(huì)引起很大的阻力；對于超聲速風(fēng)洞（見風(fēng)洞）、進(jìn)氣道和壓氣機(jī)等內(nèi)流設(shè)備，在氣流由超聲速降為亞聲速時(shí)出現(xiàn)的激波，會(huì)降低風(fēng)洞和發(fā)動(dòng)機(jī)的效率。所以，減弱激波強(qiáng)度以減小激波損失是實(shí)際工作中的一項(xiàng)重要課題。

激波的計(jì)算方法大體可以分為激波捕捉和激波裝配兩種。捕捉方法無需事先知道激波位置，激波是在計(jì)算過程中自動(dòng)得到的。這種方法如果沒有特殊處理，數(shù)值解會(huì)在激波附近產(chǎn)生非物理振蕩。盡管激波捕捉方法在過去20多年得到廣泛研究和迅速發(fā)展，但其仍存在很多問題，如精度、穩(wěn)定性等。而且這些問題很容易出現(xiàn)在基于非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的高超聲速流動(dòng)計(jì)算中。相對激波捕捉方法，激波裝配方法由于不存在這些數(shù)值問題，對其研究也是具有很大的實(shí)際意義。