入流激励下可压缩剪切层中Kelvin-Helmholtz涡的响应特性*

张冬冬 谭建国 姚霄

(国防科技大学,高超声速冲压发动机技术重点实验室,长沙 410073)

通过直接数值求解Navier-Stokes方程,研究了入流激励下可压缩剪切层中Kelvin-Helmholtz (KH)涡结构的响应特性,结果清晰地展示了KH涡的独特演化方式.基于流动可视化数据,采用两点相关性分析获得了流场拟序结构的空间尺寸和结构角分布.通过分析不同激励频率下涡结构的动态特性,揭示了入流激励下可压缩剪切层中KH涡结构的独特演化机理.研究结果表明,低频入流激励(f=5 kHz)下KH涡尺寸在远场区域达到饱和后呈现锁频状态,KH涡量厚度稳定在12—14 mm之间;与自由剪切层涡结构通过配对合并的方式实现生长的机理不同,低频入流激励下剪切层的发展是通过中间涡核顺时针吞噬KH不稳定波诱导的一串外围小涡结构来实现生长.此外,针对高频激励 (f=20 kHz)下的剪切层流动,研究了涡结构特性和入流激励参数之间的定量关系,发现均匀分布涡结构的尺寸近似等于对流速度与入流激励频率之比.

1 引 言

近年来随着超燃冲压发动机技术以及高速导弹成像制导技术的发展,可压缩剪切层流动得到了广泛的关注和持续不断的研究[1,2].超燃冲压发动机有限的燃烧室尺寸内,超声速空气与燃料剪切混合的时间尺度为毫秒量级,如何在较短的时间内实现空气与燃料的充分混合成为其中最为核心的一项关键技术[3,4].此外,对于红外成像制导技术而言,导弹以高马赫数飞行时,其光学侧窗……