霍俊杰，易仕和，牛海波，劉小林

(國(guó)防科技大學(xué)空天科學(xué)學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410073)

引 言

高超聲速邊界層流動(dòng)的轉(zhuǎn)捩和分離研究是高超聲速空氣動(dòng)力學(xué)的關(guān)鍵基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題之一，同時(shí)也是高超聲速飛行器設(shè)計(jì)中需要考慮的重點(diǎn)問(wèn)題之一。特別地，邊界層轉(zhuǎn)捩和分離會(huì)對(duì)飛行器表面溫度分布產(chǎn)生顯著影響，因此邊界層流動(dòng)問(wèn)題的研究對(duì)高超聲速飛行器熱防護(hù)設(shè)計(jì)具有重要的意義。

高超聲速邊界層流動(dòng)轉(zhuǎn)捩的問(wèn)題是空氣動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域的經(jīng)典問(wèn)題。目前研究認(rèn)為，高超聲速來(lái)流條件下，有諸多因素會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)捩過(guò)程產(chǎn)生影響，一般會(huì)有5種轉(zhuǎn)捩途徑[1]，其中，邊界層自然轉(zhuǎn)捩過(guò)程通常認(rèn)為包括感受性階段、線性失穩(wěn)階段、非線性增長(zhǎng)階段以及湍流階段[2-3]，在此過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)第一模態(tài)、第二模態(tài)[4-5]、橫流模態(tài)、G?rtler模態(tài)以及附著線失穩(wěn)等不穩(wěn)定模態(tài)波[6-9]。其中橫流模態(tài)主要存在于三維邊界層中，比如三角翼[10]、帶攻角的圓錐[11]、橢錐以及升力體標(biāo)模[12-13]等模型中，在壓力梯度或幾何外形的作用下，邊界層近壁區(qū)會(huì)存在與邊界層外勢(shì)流平面內(nèi)流線方向垂直的流動(dòng)分量，并由此導(dǎo)致邊界層的失穩(wěn)和轉(zhuǎn)捩[14]。橫流失穩(wěn)一般認(rèn)為包括伴隨定常橫流渦和非定常橫流渦兩種形式[15]，而定常橫流渦通常出現(xiàn)在低湍流度來(lái)流中，因此在橫流失穩(wěn)問(wèn)題的實(shí)驗(yàn)研究中，可以實(shí)現(xiàn)低湍流度來(lái)流的靜風(fēng)洞具有至關(guān)重要的意義[16-17]。在低湍流度的靜風(fēng)洞中，基于溫敏漆技術(shù)、流動(dòng)顯示技術(shù)等先進(jìn)測(cè)試方法，Niu等[10，20]，Kocian等[18]，Placidi等[19]均觀察到了邊界層轉(zhuǎn)捩過(guò)程中定常橫流渦的現(xiàn)象，并對(duì)橫流失穩(wěn)轉(zhuǎn)捩的影響因素、轉(zhuǎn)捩預(yù)測(cè)做出了討論。

在有攻角的高超聲速圓錐背風(fēng)面邊界層流動(dòng)中，除了邊界層附著流動(dòng)的轉(zhuǎn)捩問(wèn)題以外，當(dāng)攻角增加到一定角度時(shí)，在背風(fēng)面的特定區(qū)域，會(huì)出現(xiàn)邊界層流動(dòng)的分離現(xiàn)象，同時(shí)伴隨著脫體渦的發(fā)展，進(jìn)而對(duì)表面溫度分布產(chǎn)生顯著的影響。關(guān)于大攻角圓錐背風(fēng)面流動(dòng)分離現(xiàn)象已經(jīng)得到了廣泛而深入的研究，其中，Rainbird[21]，F(xiàn)eldhuhn等[22]，Stetson[23]通過(guò)對(duì)大攻角下圓錐背風(fēng)面壓力分布的測(cè)量，提出了經(jīng)典的大攻角下圓錐背風(fēng)面分離流動(dòng)模型，并對(duì)分離渦產(chǎn)生的位置、分離現(xiàn)象與攻角大小的關(guān)系等做出了討論，如圖1所示，此后，Wetzel等[24]對(duì)油流流動(dòng)顯示、表面摩阻測(cè)量、激光Doppler測(cè)速以及脈動(dòng)壓力測(cè)量等不同測(cè)試方法得到的分離流動(dòng)結(jié)果進(jìn)行了分析。近期，Running等[25-26]通過(guò)快速響應(yīng)壓敏漆技術(shù)對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行了詳細(xì)研究。在此基礎(chǔ)上Hembling等[27]，Willems等[28]對(duì)高超聲速流動(dòng)中圓錐、橢錐等模型背風(fēng)面流動(dòng)現(xiàn)象進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。

圖1 大攻角圓錐背風(fēng)面分離流動(dòng)模型[22]Fig.1 Separated flow model on the leeward surface of a cone at a high angle of attack[22]

溫敏漆技術(shù)是一種非接觸式的流場(chǎng)測(cè)試技術(shù)，通過(guò)溫敏漆技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ捅砻鏈厣植嫉臏y(cè)量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)高超聲速邊界層的轉(zhuǎn)捩和分離、激波邊界層干擾、真實(shí)飛行器設(shè)計(jì)等問(wèn)題的研究[20，28-31]。

本研究通過(guò)前期搭建的溫敏漆測(cè)試系統(tǒng)，在高超聲速低湍流度來(lái)流條件下，對(duì)大攻角下圓錐背風(fēng)面邊界層流動(dòng)的特點(diǎn)進(jìn)行了研究，觀察到了邊界層流動(dòng)發(fā)展過(guò)程中的定常橫流渦、邊界層分離等典型流動(dòng)狀態(tài)，同時(shí)研究了Reynolds數(shù)的改變對(duì)流動(dòng)發(fā)展過(guò)程的影響。

1 實(shí)驗(yàn)方法與設(shè)備

1.1 風(fēng)洞設(shè)備

本實(shí)驗(yàn)在國(guó)防科技大學(xué)高超聲速風(fēng)洞中進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)風(fēng)洞設(shè)備為吹吸式高超聲速自由射流式風(fēng)洞，由高壓氣源、加熱器、穩(wěn)定段、噴管段、實(shí)驗(yàn)段以及真空球罐等幾部分組成，風(fēng)洞的穩(wěn)定段、噴管段以及試驗(yàn)段如圖2所示，風(fēng)洞噴管為出口直徑Φ=300 mm的軸對(duì)稱噴管，風(fēng)洞設(shè)計(jì)Mach數(shù)為6，本次實(shí)驗(yàn)研究中風(fēng)洞總壓范圍為0～1.5 MPa，總溫為425 K。通過(guò)穩(wěn)定段設(shè)計(jì)、噴管型面設(shè)計(jì)與特殊加工以及喉道邊界層抽吸等技術(shù)，實(shí)驗(yàn)所用風(fēng)洞設(shè)備可以有效降低來(lái)流湍流度進(jìn)而建立靜音流場(chǎng)狀態(tài)[32]，根據(jù)前期的傳感器測(cè)試[33]以及NPLS流動(dòng)顯示[34]結(jié)果，該風(fēng)洞最低湍流度約為千分之一，明顯低于常規(guī)風(fēng)洞噪聲水平。

圖2 國(guó)防科技大學(xué)高超聲速靜風(fēng)洞實(shí)物圖[33]Fig.2 Hypersonic quiet wind tunnel of in National University of Defense Technology[33]

1.2 測(cè)試技術(shù)

實(shí)驗(yàn)所采用的測(cè)試方法為溫敏漆(temperature sensitive paints，TSP)技術(shù)。TSP技術(shù)是基于發(fā)光分子發(fā)射光熱猝滅效應(yīng)的一種非接觸式流動(dòng)測(cè)試技術(shù)，典型的TSP系統(tǒng)由溫敏漆涂層、激發(fā)光源、濾光片、CCD相機(jī)以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成，如圖3所示。通過(guò)TSP系統(tǒng)可以得到實(shí)驗(yàn)過(guò)程中光強(qiáng)的變化情況，根據(jù)前期得到的光強(qiáng)溫度校準(zhǔn)關(guān)系式[35]，可以計(jì)算得到實(shí)驗(yàn)過(guò)程中模型表面溫度的變化情況，獲得模型表面全局溫升ΔT分布，進(jìn)而辨別重要的流動(dòng)信息。

圖3 TSP測(cè)試系統(tǒng)實(shí)物圖[35] Fig.3 TSP test system[35]

1.3 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

本實(shí)驗(yàn)所用圓錐模型半錐角為 7°，總長(zhǎng)度為500 mm，頭部半徑為1.5 mm，使用電木材料加工，TSP涂層噴涂厚度約為20 μm，噴涂后模型表面滿足粗糙度要求，風(fēng)洞安裝效果如圖4所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮陲L(fēng)洞內(nèi)安裝實(shí)物圖Fig.4 Experimental model installed in the wind tunnel

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 大攻角下圓錐背風(fēng)面溫升分布的主要特點(diǎn)

實(shí)驗(yàn)來(lái)流Ma∞為6，總溫T0為425 K，總壓P0為1.29 MPa，相應(yīng)的ReL為1.35 ×107m-1。在10°攻角下，通過(guò)TSP技術(shù)得到圓錐背風(fēng)面ΔT分布如圖5所示。由于視場(chǎng)大小所限，分前后兩部分進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，圖5(a)，(b)分別為圓錐 0～300 mm和200～500 mm 兩部分的原始實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

(a) 0～300 mm

在圓錐高超聲速大攻角繞流中，由于邊界層的分離會(huì)表現(xiàn)與小攻角繞流不同的流動(dòng)現(xiàn)象，圖6為前期研究中得到的在Ma∞為6的來(lái)流中6°攻角時(shí)圓錐背風(fēng)面典型TSP結(jié)果，可以反映圓錐背風(fēng)面邊界層流動(dòng)的典型特點(diǎn)，與本文得到的10°攻角時(shí)的TSP結(jié)果即圖5(b)明顯不同。在10°攻角時(shí)，背風(fēng)面中心線附近有明顯的高溫升區(qū)域，同時(shí)隨著流動(dòng)的發(fā)展，在距離頭部較遠(yuǎn)的位置中心線兩側(cè)可以觀察到由于邊界層分離再附而產(chǎn)生的兩條次高溫帶。而在6°攻角時(shí)，中心線附近沒(méi)有觀察到由于流動(dòng)分離下洗而產(chǎn)生的高溫區(qū)域，兩側(cè)也沒(méi)有觀察到次高溫區(qū)域，同時(shí)轉(zhuǎn)捩發(fā)生的后期，在遠(yuǎn)離中心線的位置也沒(méi)有觀察到由于邊界層分離而產(chǎn)生的低溫區(qū)域，只觀察到了由于橫流和邊界層轉(zhuǎn)捩帶來(lái)的高熱流區(qū)域。因此，在10°大攻角下，由于邊界層的分離會(huì)出現(xiàn)與6°小攻角下完全不同的流動(dòng)結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出完全不同的表面溫升分布特點(diǎn)。

圖6 通過(guò)TSP測(cè)試技術(shù)得到的小攻角時(shí)模型表面熱流分布Fig.6 Heat flow distribution on the model surface at a small angle of attack with TSP

背風(fēng)面邊界層的分離、橫流影響下的轉(zhuǎn)捩等通常和方位角密切相關(guān)，為了更加清晰地顯示背風(fēng)面邊界層流動(dòng)狀態(tài)與方位角的關(guān)系，通過(guò)對(duì)圖像的校正將圖5中x-y(位置-位置)與ΔT分布云圖換算為x-θ(位置-方位角)與ΔT分布云圖，如圖7所示。從x-θ(位移-方位角)與ΔT分布云圖，可以分辨出明顯的流動(dòng)特征，如圖所示:a和e區(qū)域?yàn)楸筹L(fēng)面中心線附近由于邊界層流動(dòng)主渦下洗沖擊而產(chǎn)生的高溫升區(qū)域;b區(qū)域?yàn)楸筹L(fēng)面邊界層分離而產(chǎn)生的低溫升區(qū)域;c和d區(qū)域?yàn)橛泄ソ菆A錐邊界層發(fā)展過(guò)程中，由于壓力梯度產(chǎn)生的定常橫流渦而產(chǎn)生的條帶區(qū)域;f區(qū)域?yàn)檫吔鐚影l(fā)展后期，由邊界層的轉(zhuǎn)捩和分離作用而形成的區(qū)域。Stetson[23]得到了油流實(shí)驗(yàn)結(jié)果，Wang[36]在此結(jié)果的基礎(chǔ)上對(duì)圓錐高超聲速大攻角繞流背風(fēng)面邊界層分離與再附的流動(dòng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了討論。但由于油流技術(shù)的限制，在基于油流技術(shù)的研究中只分析了分離與再附現(xiàn)象而沒(méi)有對(duì)橫流影響以及邊界層轉(zhuǎn)捩現(xiàn)象做出更加詳細(xì)的討論，而基于TSP技術(shù)，除了反映邊界層流動(dòng)分離與再附的特征外，還可以反映由橫流影響產(chǎn)生的條紋結(jié)構(gòu)以及邊界層轉(zhuǎn)捩的流動(dòng)特征。

(a) 0～300 mm

2.2 圓錐背風(fēng)面邊界層流動(dòng)的發(fā)展過(guò)程

云圖可以直觀顯示大攻角下圓錐背風(fēng)面邊界層流動(dòng)狀態(tài)引起的ΔT分布情況，隨著x的增加，流動(dòng)當(dāng)?shù)豏eynolds數(shù)升高，邊界層流動(dòng)發(fā)展呈現(xiàn)出不同的流動(dòng)狀態(tài)。為了進(jìn)一步對(duì)邊界層流動(dòng)發(fā)展的狀態(tài)做出定量研究，從云圖中提取得到ΔT等值線圖如圖8所示。不同方位角處由于邊界層轉(zhuǎn)捩及分離而產(chǎn)生的ΔT不同，選取合適的位置提取特定方位角x-ΔT(位置-溫升)曲線，可以在一定程度上反映邊界層流動(dòng)分離的情況。根據(jù)流動(dòng)特點(diǎn)選擇了幾個(gè)具有代表意義的方位角，如圖8中標(biāo)示線所注位置，分別為遠(yuǎn)離中心線的 -50°位置、低溫升區(qū)附近 -30°和 -20°位置，以及中心線附近的 -15°，-10°，-5°以及中心線位置。得到特定方位角x-ΔT曲線如圖9所示，根據(jù)曲線變換特點(diǎn)可以將邊界層發(fā)展過(guò)程分為若干階段，反映邊界層流動(dòng)發(fā)展過(guò)程中的流動(dòng)特點(diǎn)。

(a) 0～300 mm

(a) 0～300 mm

根據(jù)邊界層發(fā)展過(guò)程中，各個(gè)階段的流動(dòng)特點(diǎn)，可以將流動(dòng)分為ΔT等值線圖和x-ΔT曲線圖中所示的5個(gè)發(fā)展階段。

第Ⅰ發(fā)展階段為距頭部0～130 mm，等值線圖中ΔT分布呈現(xiàn)出中心線附近為高溫區(qū)，兩側(cè)為次高溫區(qū)，遠(yuǎn)離中心線位置為低溫升區(qū)的特點(diǎn)?？赡転閷恿鬟吔鐚臃蛛x產(chǎn)生脫體渦的階段。由x-ΔT曲線可以看到，在邊界層發(fā)展第一個(gè)階段，中心線附近(0～20°)ΔT沿x方向先增加后減小，而遠(yuǎn)離中心的位置(30°和50°)沿x方向ΔT逐步降低。

第Ⅱ發(fā)展階段為140～230 mm，等值線圖中ΔT開(kāi)始出現(xiàn)條帶狀分布，中心線附近高溫區(qū)域顯著減小，但整體溫度分布特別是兩側(cè)低溫區(qū)域與第Ⅰ階段相似?？赡転槎ǔM流渦開(kāi)始對(duì)邊界層產(chǎn)生影響，但層流邊界層分離產(chǎn)生脫體渦仍是影響背風(fēng)面邊界層流動(dòng)的主要因素。由x-ΔT曲線可以看到，當(dāng)橫流影響開(kāi)始時(shí)，中心線附近(0和5°位置)沿x方向流動(dòng)發(fā)展過(guò)程中ΔT增加;在遠(yuǎn)離中心線(30°和50°位置)溫升分布出現(xiàn)明顯波動(dòng)，但ΔT沿x方向均值大小變化不大。距離中心線越遠(yuǎn)，橫流出現(xiàn)影響的位置越靠前，在30°方位角上第一個(gè)ΔT峰值出現(xiàn)在150 mm位置，而在50°方位角上則出現(xiàn)在130 mm的位置。這一階段溫升分布特點(diǎn)主要與流動(dòng)定常橫流渦影響相關(guān)。

第Ⅲ發(fā)展階段為240～290 mm，等值線圖中ΔT條帶分布依然存在，而中心線兩側(cè)ΔT發(fā)生顯著變化，中心線附近高溫區(qū)域及兩側(cè)低溫區(qū)域面積顯著減小。從x-ΔT曲線可以看出，中心線附近(0和5°位置)沿x方向ΔT降低;而遠(yuǎn)離中心線位置(10°～50°)，沿x方向ΔT增加，同時(shí)由于橫流影響x-ΔT曲線產(chǎn)生波動(dòng)依然存在。不同方位角處ΔT升高幅度不同，在20°位置，ΔT升高幅度最大，而在靠近中心線附近的10°位置，ΔT變化較小，可能與不同方位角處流動(dòng)分離情況相關(guān)。這一階段溫升分布特點(diǎn)主要與邊界層在定常橫流渦影響下發(fā)生轉(zhuǎn)捩相關(guān)。

第Ⅳ發(fā)展階段為300～400 mm，等值線圖中ΔT條帶分布消失，中心線及兩側(cè)ΔT分布情況在一定范圍內(nèi)與前一階段基本相同，可能為邊界層轉(zhuǎn)捩后期，同時(shí)在一定范圍內(nèi)邊界層分離產(chǎn)生脫體渦。從x-ΔT曲線可以看出，隨著當(dāng)?shù)豏eynolds數(shù)的增加，邊界層發(fā)展進(jìn)入轉(zhuǎn)捩后期，在不同方位角位置ΔT沿x方向均有所降低，符合邊界層層流-轉(zhuǎn)捩-湍流發(fā)展過(guò)程中的經(jīng)典規(guī)律，而值得注意的是方位角10°和15°的位置ΔT沿x方向略有增加，這種差異可能和邊界層分離情況相關(guān)。這一階段溫升分布特點(diǎn)主要與邊界層轉(zhuǎn)捩過(guò)程相關(guān)。

第Ⅴ發(fā)展階段為410 mm之后，等值線圖中，中心線及其附近ΔT分布同前一階段發(fā)生顯著變化的是邊界層發(fā)展后期。隨著當(dāng)?shù)豏eynolds數(shù)的進(jìn)一步增加，中心線附近ΔT分布差異減小，同時(shí)在中心線兩側(cè)出現(xiàn)低溫升區(qū)域。由x-ΔT曲線可以看到，各個(gè)方位角位置上沿x方向ΔT均有所降低，而在遠(yuǎn)離中心線的位置(20°和30°)處ΔT降低的幅度最大。在這一階段，流動(dòng)發(fā)展進(jìn)入湍流階段，同時(shí)邊界層分離產(chǎn)生的脫體渦影響也和層流階段不同，溫度分布主要與邊界層分離產(chǎn)生脫體渦的位置相關(guān)。

2.3 不同位置處圓錐背風(fēng)面流動(dòng)的特點(diǎn)

在前一部分中通過(guò)大攻角下圓錐背風(fēng)面ΔT分布對(duì)邊界層的發(fā)展過(guò)程進(jìn)行了討論。通過(guò)ΔT等值線圖的分布規(guī)律以及不同方位角上x(chóng)-ΔT曲線的對(duì)比，將大攻角下圓錐背風(fēng)面邊界層流動(dòng)劃分為層流分離階段、橫流產(chǎn)生影響階段、橫流產(chǎn)生影響同時(shí)發(fā)生邊界層轉(zhuǎn)捩階段、邊界層轉(zhuǎn)捩后期階段以及湍流分離階段等不同發(fā)展階段。同時(shí)注意到，各發(fā)展階段ΔT隨θ的變化具有不同的特點(diǎn)，可以在一定程度上反映邊界層流動(dòng)轉(zhuǎn)捩和分離的特點(diǎn)，為了對(duì)流動(dòng)特征進(jìn)行進(jìn)一步的討論，在各發(fā)展階段中分別提取了幾個(gè)典型x方向位置上的θ-ΔT(方位角-溫升)曲線，如圖10所示。

圖10(a)為層流分離階段典型位置的θ-ΔT曲線，與Rainbird[21]，F(xiàn)eldhuhn等[22]，Stetson[23]研究得到的大攻角下圓錐層流邊界層分離結(jié)果相似，x=10，20和30 mm位置為發(fā)展階段，從x=40 mm的位置邊界層開(kāi)始發(fā)生分離。壁面中心線附近由于流動(dòng)的下洗沖擊產(chǎn)生高溫區(qū)域，在中心線兩側(cè)隨著θ的增加ΔT迅速降低。θ進(jìn)一步增加，ΔT隨θ的變化明顯減小，θ-ΔT曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)，之后出現(xiàn)極小值并在一定范圍內(nèi)保持不變，而后ΔT增加。這一范圍內(nèi)邊界層流動(dòng)發(fā)生分離，如圖中標(biāo)記位置，分離發(fā)生的范圍為θ=-45°～-15°以及15°～45°。同時(shí)注意到，隨著與前緣距離的增加，分離區(qū)的范圍也在增加。

(a) First stage

隨著流動(dòng)的進(jìn)一步發(fā)展，如圖10(b)中所示，θ-ΔT曲線的變化和前一階段相似，但如圖中所標(biāo)記的位置，低溫升區(qū)域的θ范圍更大，且不同位置處分離區(qū)范圍變化也沒(méi)有前一階段明顯，在一定θ范圍內(nèi)，θ-ΔT曲線開(kāi)始出現(xiàn)波動(dòng)。在這一階段，橫流開(kāi)始產(chǎn)生影響，但流動(dòng)分離產(chǎn)生的脫體渦仍是影響圓錐背風(fēng)面流動(dòng)的主要因素。

而在圖10(c)中，隨著流動(dòng)進(jìn)一步發(fā)展，中心線附近ΔT隨θ變化情況基本相同，而遠(yuǎn)離中心線的位置，在前一階段分離區(qū)的θ范圍內(nèi)可以明顯觀察到在定常橫流渦作用下產(chǎn)生的溫升條紋帶，當(dāng)流動(dòng)發(fā)展到此范圍后，橫流成為影響圓錐背風(fēng)面流動(dòng)的主要因素。在此流動(dòng)階段，不同位置處中心線附近由流動(dòng)特征基本相同，而隨著與頭部距離的增加，橫流產(chǎn)生影響的范圍逐漸向中心線位置靠近。

當(dāng)流動(dòng)進(jìn)一步發(fā)展時(shí)，如10(d)，(e)所示，在中心線附近ΔT下降之后，ΔT會(huì)隨著θ的增加而上升，在θ=-25°～-10°以及10°～25°范圍內(nèi)，出現(xiàn)次高溫升區(qū)域，之后隨著θ的增加ΔT降低。根據(jù)Feldhuhn等[22]的研究結(jié)果，在這一范圍內(nèi)邊界層二次分離產(chǎn)生次渦再附，因而出現(xiàn)ΔT升高的區(qū)域，而進(jìn)一步遠(yuǎn)離中心線即大約為θ=±30°的位置，流動(dòng)分離產(chǎn)生主分離渦，為低溫升區(qū)。在圖10(d)的發(fā)展階段，距前緣不同位置處，次渦分離再附出現(xiàn)高溫升的位置逐漸向中心線附近靠近，且主分離區(qū)ΔT逐漸下降，范圍逐漸減小。而隨著流動(dòng)的進(jìn)一步發(fā)展，在圖10(e)的發(fā)展階段，不同位置處θ-ΔT曲線特征基本相同，次渦再附的高溫升出現(xiàn)在θ=-15°～-10°以及10°～15°范圍內(nèi)，分離的低溫升出現(xiàn)在θ=-45°～-30°以及30°～45°范圍內(nèi)。同時(shí)注意到在圖10(d)，(e)階段，主分離渦低溫升的范圍也明顯小于之前層流分離階段。而與之前得到的x-ΔT曲線相對(duì)應(yīng)可以發(fā)現(xiàn)，次高溫升以及分離區(qū)范圍內(nèi)的特定方位角上x(chóng)-ΔT曲線表現(xiàn)出與其他位置不同的特點(diǎn)，也可以驗(yàn)證之前做出的不同方位角上x(chóng)-ΔT曲線不同的變化趨勢(shì)與邊界層分離情況相關(guān)的猜想。當(dāng)流動(dòng)發(fā)展進(jìn)入這一階段時(shí)，橫流影響消失，邊界層發(fā)展進(jìn)入轉(zhuǎn)捩后期，進(jìn)一步發(fā)展為湍流狀態(tài)，而邊界層的分離和再附成為影響圓錐背風(fēng)面流動(dòng)的主要因素。

2.4 Reynolds數(shù)對(duì)圓錐背風(fēng)面流動(dòng)發(fā)展過(guò)程的影響

Reynolds數(shù)是衡量流動(dòng)慣性力和黏性力相對(duì)大小的一個(gè)重要參數(shù)，之前的研究表明，Reynolds數(shù)的改變會(huì)對(duì)邊界層轉(zhuǎn)捩的過(guò)程產(chǎn)生顯著影響。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)改變來(lái)流總壓實(shí)現(xiàn)對(duì)Reynolds數(shù)的調(diào)節(jié)，為了研究Reynolds數(shù)對(duì)圓錐背風(fēng)面流動(dòng)影響，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中調(diào)節(jié)來(lái)流總壓分別為0.25，0.62和0.93 MPa，得到了單位Reynolds數(shù)分別為2.57×106，6.47×106，9.89× 106m-1的流動(dòng)條件下圓錐背風(fēng)面ΔT結(jié)果，并與之前ReL=1.35×107m-1得到的結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果如圖11所示。其中，圖像采用和之前相同的處理方法，得到了x-θ(位置-方位角)與ΔT分布云圖。

圖11(a)(b)為前文所討論的流動(dòng)狀態(tài)，根據(jù)之前的研究結(jié)論，大攻角下圓錐背風(fēng)面邊界層流動(dòng)的發(fā)展過(guò)程可以分為5個(gè)階段:第1階段為層流分離的階段(距頭部位置為0～130 mm);第2，3階段為橫流產(chǎn)生影響的階段(140～290 mm)，其中在第2階段(140～230 mm)橫流開(kāi)始產(chǎn)生影響，第3階段(240～290 mm)流動(dòng)開(kāi)始發(fā)生轉(zhuǎn)捩;第4階段為轉(zhuǎn)捩后期同時(shí)橫流影響消失階段(300～400 mm);第5階段為湍流分離階段(410 mm之后)。圖11(c)～(f)分別為ReL=9.89×106m-1和ReL=6.47×106m-1時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，采用和之前相同的研究方法，將流動(dòng)發(fā)展階段劃分，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1中所示。

(a) 0～300 mm &ReL=1.35×107 m-1

表1 不同Reynolds數(shù)下各階段流動(dòng)范圍Table 1 Flow range at each stage under different Reynolds numbers

根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)，隨著ReL的減小，邊界層流動(dòng)發(fā)展各階段變化的位置更加靠近下游。當(dāng)ReL減小時(shí)，層流分離階段范圍增加，在ReL=9.89×106m-1時(shí)，層流分離階段持續(xù)到距前緣180 mm 的位置，而ReL=6.47×106m-1時(shí)，一直持續(xù)到220 mm的位置之后橫流開(kāi)始對(duì)背風(fēng)面ΔT分布產(chǎn)生影響。而不同ReL下，橫流開(kāi)始對(duì)邊界層流動(dòng)產(chǎn)生影響到邊界層開(kāi)始發(fā)生轉(zhuǎn)捩的范圍大致相同，在ReL=9.89×107m-1和ReL=6.47×106m-1時(shí)，這一階段范圍分別為 190～280 mm 和230～320 mm，和之前更高Reynolds數(shù)結(jié)果相同，這一階段均約為90 mm。而橫流產(chǎn)生影響同時(shí)開(kāi)始轉(zhuǎn)捩的范圍則隨著Reynolds數(shù)的減小而顯著增加，在之前的狀態(tài)下這一階段范圍為 50 mm，而當(dāng)Reynolds數(shù)減小到ReL=9.89×106m-1時(shí)，這一階段范圍為120 mm，當(dāng)Reynolds數(shù)進(jìn)一步減小時(shí)，一直到模型尾部均為橫流產(chǎn)生影響的范圍。在ReL=9.89×106m-1時(shí)，模型尾部之前，流動(dòng)未發(fā)展進(jìn)入湍流分離即第5個(gè)階段。而在圖11(g)中，Reynolds數(shù)進(jìn)一步減小到ReL=2.57×106m-1時(shí)，一直到模型尾部，均為層流分離狀態(tài)，橫流沒(méi)有對(duì)邊界層流動(dòng)產(chǎn)生影響，邊界層也未發(fā)生轉(zhuǎn)捩。

綜上所述，隨著單位Reynolds數(shù)的減小，層流分離范圍增加，橫流影響范圍增加，但從橫流開(kāi)始產(chǎn)生影響到轉(zhuǎn)捩開(kāi)始發(fā)生的范圍基本相同。

3 結(jié)論

本文通過(guò)TSP技術(shù)，對(duì)高超聲速來(lái)流大攻角下圓錐背風(fēng)面邊界層流動(dòng)的分離、轉(zhuǎn)捩等流動(dòng)特征進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。

(1)通過(guò)TSP技術(shù)，可以了解高超聲速來(lái)流條件下圓錐表面溫升分布情況，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)圓錐表面邊界層轉(zhuǎn)捩、分離等流動(dòng)特點(diǎn)的研究。研究通過(guò)TSP技術(shù)觀測(cè)到了大攻角下圓錐表面的流動(dòng)分離、定常橫流渦等現(xiàn)象。

(2)大攻角下圓錐背風(fēng)面邊界層流動(dòng)發(fā)展可以劃分為5個(gè)階段，分別為層流分離階段、橫流產(chǎn)生影響階段、橫流產(chǎn)生影響同時(shí)發(fā)生邊界層轉(zhuǎn)捩階段、邊界層轉(zhuǎn)捩后期階段以及湍流分離階段。不同流動(dòng)發(fā)展階段在不同方位角上的溫升分布呈現(xiàn)出不同特點(diǎn)。

(3)Reynolds數(shù)對(duì)大攻角下圓錐背風(fēng)面邊界層流動(dòng)不同發(fā)展階段會(huì)產(chǎn)生不同的影響。隨著Reynolds數(shù)的減小，層流分離范圍增加，橫流影響范圍增加，但從橫流開(kāi)始產(chǎn)生影響到轉(zhuǎn)捩開(kāi)始發(fā)生的范圍基本相同。