[论文解读] Large- and small-amplitude shock wave oscillations over axisymmetric bodies in high-speed flow

Vaisakh Sasidharan, Subrahmanyam Duvvuri|arXiv (Cornell University)|Dec 20, 2020

Computational Fluid Dynamics and Aerodynamics参考文献 13被引用 17

一句话总结

本实验研究调查了在马赫数6的高超声速流中，带有钝底的轴对称锥形体上大振幅与小振幅激波振荡现象。通过时间分辨的洛伦兹条纹成像技术，作者在由锥体半顶角（𝐿/𝑑）和底面直径（𝐷/𝑑）定义的二维参数空间中绘制了非定常性边界，识别出由剪切层不稳定性与分离流动力学驱动的三种不同流态：稳定态、大振幅脉动态和小振幅振动态。

ABSTRACT

The phenomena of self-sustained shock wave oscillations over conical bodies with a blunt axisymmetric base subject to uniform high-speed flow are investigated in a hypersonic wind tunnel at Mach number $M = 6$. The flow and shock wave dynamics are dictated by two non-dimensional geometric parameters presented by the three length scales of the body, two of which are associated with the conical forebody and one with the base. Time-resolved schlieren imagery from these experiments reveals the presence of two disparate states of shock wave oscillations in the flow, and allows for the mapping of unsteadiness boundaries in the two-parameter space. Physical mechanisms are proposed to explain the oscillations and the transitions of the shock wave system from steady to oscillatory states. In comparison to the canonical single-parameter problem of shock wave oscillations over spiked-blunt bodies reported in literature, the two-parameter nature of the present problem introduces distinct elements to the flow dynamics.

研究动机与目标

• 研究轴对称钝底体在高速流中的激波非定常性。
• 在由两个几何参数构成的空间中，绘制稳定态、大振幅脉动态与小振幅振动态之间的边界。
• 识别驱动激波振荡及流态间转变的物理机制。
• 将经典的单参数尖头钝体问题扩展至更复杂的双参数系统。

提出的方法

• 在马赫数6的高超声速风洞中开展实验，自由流雷诺数为7×10⁶ m⁻¹。
• 采用脉冲二极管激光（波长640 nm，脉冲宽度10 ns）与高速照相机（帧率48,000–160,000 fps）进行时间分辨的洛伦兹条纹成像。
• 改变几何参数：锥体长度与底面直径之比（𝐿/𝑑）和底面直径与锥体底面直径之比（𝐷/𝑑），覆盖𝜃 = 15°至45°。
• 基于时间序列的洛伦兹条纹图像，将流态分类为稳定态、脉动态（大振幅）或振动态（小振幅）。
• 通过分析5,000帧序列的平均强度图与标准差图，可视化非定常激波与剪切层动力学。
• 基于实验数据点，经验性地推断在双参数空间中各流态之间的边界。

实验结果

研究问题

• RQ1 两个独立的几何参数（𝐿/𝑑 与 𝐷/𝑑）如何影响轴对称高速流中激波的非定常性？
• RQ2 驱动大振幅脉动与小振幅振荡的物理机制分别是什么？
• RQ3 当几何参数变化时，稳定态、脉动态与振动态之间的转变过程如何发生？
• RQ4 剪切层不稳定性与分离泡在小振幅激波振荡中起什么作用？
• RQ5 锥体半顶角（𝜃）如何影响激波非定常性的起始与抑制？

主要发现

• 在马赫数6条件下，激波非定常性以两种截然不同的形式出现：大振幅脉动与小振幅振荡，其间存在稳定态。
• 当𝜃 = 25°时，脉动态向振动态的转变发生在𝐷/𝑑 ≈ 1.3处，标志着从分离流区域的周期性增长与坍塌，转变为由剪切层不稳定性驱动的非定常性。
• 小振幅振荡由分离激波的高频波动引起，其根源在于非定常剪切层不稳定性与分离点的前后运动。
• 大振幅脉动由锥形表面区域分离流的周期性增长与坍塌触发，与强斜向激波及底面相互作用密切相关。
• 随着锥体半顶角（𝜃）增大，非定常性区域逐渐变窄，在𝑀 = 6时，𝜃 ≈ 25°–35°以下未观察到非平凡的稳定态。
• 当𝜃 ≈ 45°以上时，激波非定常性消失或仅局限于极窄的𝐷/𝑑范围，表明由于壁面压力梯度减弱，不稳定机制受到抑制。