题目：激波矢量控制和喷流强化混合的主次流干扰研究

      本文以航空航天涉及的流体推力矢量喷管以及尾喷流强化混合抑制红外信号为应用背景，采用数值，理论建模，实验等手段研究高速主流与横向射流的相互干扰流动问题，主要关注主次流相互干扰流场中的复杂波系结构，旋涡结构和分离等流动现象以及由此衍生的对于喷管壁面压力分布，喷流混合特性等性能参数的影响。主要的工作和研究成果总结如下。

      研究了基于 BSL-kω 模型的可压缩修正和非平衡修正对于二维超声速横流与射流相互干扰流场分离区（由于激波/边界层相互干扰导致）预测的影响。对壁面压力分布，表面摩擦系数，射流上下游分离区内的流场结构以及湍流剪切应力分布进行了分析。通过壁面压力分布可以看出，基准的 BSL-kω 模型预测的上下游分离区偏小（除了次流压比最小的情况）可压缩修正考虑了由于膨胀耗散引起的湍流耗散，能够部分改善基准模型对于分离区预测偏小的问题（相比实验仍然偏小)。进一步引入 Menter-SST 应力限制能够在非平衡性较强的分离区内起到限制湍流应力的作用，使得计算结果与实验符合良好。Lag 修正不但能够限制湍流应力的大小，同时由于其松弛特性导致流动结构整体发生变化。应力限制修正一种局部修正方式， lag 修正则是一种全局修正方式。针对本文算而例， lag修正给出的分离区相比实验偏大。

      对常用湍流模型（包括 1-方程和 2-方程模型）对喷管内激波分离流动预测能力进行对比，同时对激波矢量喷管 NPR 影响矢量规律及分离区控制方法（多缝腔体和辅助注气控制方法）进行研究。研究表明，对于喷管内附着无分离流动，常用模型均可很好预测；对于喷管内分离流动的预测，SST-kω 模型的综合性能较好。激波矢量喷管矢量性能随 NPR增大而下降的主要机理是次流下游近壁面分离区结构的转变，由低落压比时的开放型变为高落压比时的封闭型从而导致矢量力减小。发现多缝腔体被动控制难以实现矢量性能提高，下游多缝辅助注气方法可以使得分离区内压力增加，有效控制分离区在大落压比时保持开放，从而提高了激波矢量喷管在大落压比下的推力矢量能，其中注气压力为环境压力的工况，可以在不从系统额外引气的条件下提高矢量性能。

      利用数值和理论建模方法分别对轴对称激波矢量喷管主次流干扰的流场以及矢量力计算方法进行研究。通过对于流场的多方面对比表明，本文的数值方法对于轴对称激波矢量喷管的流场模拟和实验较为符合，适合管内三维主次流相互干扰的计算。细致分析了主次流干扰的流场结构，对比了主流中横向射流与自由射流的相似及不同之处，包括射流的膨胀波，压缩波和激波系等。研究超声速皮托管压力分布对应于不同主次流干扰流场结构的特征，为合理分析实验数据奠定基础。利用壁面摩擦离线对应的三维分离模式以及三维流线识别主次流干扰流动的三维旋涡结构（包括次流侧边的边缘涡，近喷口下游的羊角涡以及尾迹涡等）弄清了主次流干扰形成 CVP 以及尾迹涡的来源及其强，化主次流混合的机制。这对于理解管内主流和横向射流的相互混合比较有意义。利用FORTRAN 编程评估了激波分析模型和经验分区模型对于小扩张角激波矢量喷管矢量力的计算精度，研究了不同穿透深度模型对于矢量力和弓形激波的影响。结合锥形火箭喷管 FFS 分离准则以及上游分离区压力的平台分布假设，并引入 Wilson 和 Comparin 分离线方程，改进了基准激波分析模型采用单一实验常数考虑分离区影响的处理方法，获得了物理意义明确的轴对称激波矢量喷管理论模型。

      利用动态压力测量及 PIV 技术对活塞式合成射流激励器性能进行冷态实验研究，结果表明，激励器的腔体压比变化范围随着频率的增大而增大，对于孔径为 4mm 的工况，最大工作频率为 202Hz，对应的最大压比为 1.985。激励器腔体压比决定了射流的吹吸演化过程，通过改变孔径和频率后测得最大峰值速度可以达到 440m/s 左右
（d=2mm，f=100Hz）而且射流强度及速度同工作频率成正比，同出口孔径成反比；数值模拟和实验的结果在大孔低频时符合较好。

      对高温及横向流动环境中活塞式合成射流激励器性能以及其强化喷流混合进行了数值模拟研究，结果表明，高温下自由活塞式激励器的设计特性同冷态情况基本相同，孔径减小和频率的增大均会导致腔体压比 Pr 的增大，射流可压缩性增强，射流峰值速度和峰值动量增大，但是对于平均动量的影响有所不同，高温下平均动量对孔径的变化不敏感，这点与冷态情况下平均输出动量随孔径的增大而显著减小有明显不同。另外对于用于主流环境的横向喷射的激励器安装特性而言，和设计特性的主要差异反映在吸气阶段，由于主流存在导致的激励器吸气流通面积减小而使得吸气压比显著减小，吸气过程更为困难。激励器前倾布置能够产生对主流更强的扰动。活塞式合成射流对喷流强化混合机制主要包括两方面，第一，由于横向喷入的合成射流对主流形成阻碍，从而形成类似于“小突片”强化喷流混合的流向涡结构，这种非定常流向涡结构沿下游运动会大量卷吸环境流体进入主喷流，使喷流截面发生扭曲，增大了动量以及热量梯度输运。从而强化了喷流混合。第二，非对称激励导致喷流在激励平面产生拍动，导致高温高速核心区的摆动，会增强主喷流向环境的周期性的扩散。另外，还研究了激励器孔径，频率以及喷注角度对混合流场（包括穿透深度，阻塞面积，流向涡量）及核心区长度（混合效果）的影响。