● 摘要
超声速射流广泛地出现在超声速混合、燃烧反应过程、发动机喷流、噪声防护等研究领域。目前关于超声速射流的研究，尤其是欠膨胀超声速射流的研究已受到广泛重视。这是因为超声速射流包含有超、跨、亚声速区、射流激波结构与剪切层，其失稳机理的研究有着重要的理论价值和广泛的应用背景。本文通过数值模拟和实验研究相结合的途径，研究了轴对称欠膨胀超声速射流近场阶段的流动不稳定性问题，研究内容与获得的研究成果如下：1．应用NND有限差分格式求解轴对称可压缩N-S方程，开展层流条件下欠膨胀超声速射流不稳定性的数值模拟，研究了不同驻室与环境压力比条件下欠膨胀超声速射流近场的失稳特性。2．采用Goldberg-Apsley 湍流模型、NND有限差分格式求解轴对称可压缩N-S方程，研究了与层流模型下相同的驻室与环境压力比条件下欠膨胀超声速射流近场的失稳特性。综合上述两种条件下的数值模拟结果可以得出以下结论：（1）轴对称欠膨胀超声速射流的失稳机制根据射流激波结构的特征可分为三种失稳模式：具有规则反射激波结构和单一剪切层特征的射流不稳定性；带有马赫反射激波结构和双剪切层特征的射流不稳定性；具有弯曲马赫杆和高度欠膨胀射流的不稳定性。（2）加入湍流模型的数值模拟可以更加真实地反映了实际情况下欠膨胀超声速射流的流动情况。由于湍流粘性增加了剪切耗散作用，使得射流激波结构数目相对于层流模型的情况有所减少，并且尺度减小。应用湍流模型可以更为清晰地模拟射流剪切层的涡环破裂行为，但是基本上不影响射流近场的流动稳定性。 3．应用纹影流动显示技术，通过纹影实验结果与数值模拟结果的对比分析，得出不同射流激波结构下激波—胞格区长度L随膨胀比的变化关系：（1）带有规则反射激波结构的欠膨胀超声速射流，随着压力比的增加，规则反射激波-胞格（shock-cell）区长度L增加。射流经过激波-胞格（shock-cell）区后开始进入不稳定状态。（2）带有马赫反射激波结构的欠膨胀超声速射流，马赫反射激波-胞格（shock-cell）区长度L随着压力比的增加而减小。同时，随着压力比的增加，马赫盘尺度增大，射流更加容易失稳。（3）对于欠膨胀超声速射流，沿射流方向重复出现拟周期性的射流激波结构是射流稳定发展的特征，这种射流激波结构的消失是射流开始失稳的标志。