逆向喷流激波针减阻防热特性

文/何天琦 罗世彬

（中南大学航空航天学院 湖南省长沙市 410083）

高超声速飞行器是二十一世纪世界航空航天事业发展的一个主要方向，其具有飞行速度快、反应时间短、突防能力强等特点[1]，可以对远距离目标进行直接打击。在设计过程中，为了保证飞行器良好的飞行性能，外形一般设计为扁平尖锐形状，同时由于空气的黏性作用，物面边界层内具有较大速度梯度的各层气流产生强烈摩擦使壁面附近温度升高，高温高压气体通过壳体传递到内部，会导致电子电路运行稳定向变差，甚至会破坏飞行器结构[2]。因此，降低气动阻力和气动加热始终是设计者所面临的两个主要问题，平衡好这两者的关系对于高超声速飞行器应用于工程实际具有重要的意义。一般来说，高超声速飞行器的热防护手段可分为主动冷却和被动防护两种[3-4]。被动防护方法通过使用耐热材料或材料烧蚀达到隔热冷却的目的，防热效果取决于材料的特性，当飞行器壁面热流升高时，所需要的防热材料就越厚，使飞机的整体质量增加，不利于机动性。主动冷却方法主要分为三种：一是沿驻点线能量投放[5]，向前方来流中注入可燃物质、微波、激光等,这是一种主动流动控制技术； 二是逆向喷流技术[6-8]，是指向飞行器前缘流场注入冷却介质，改变飞行器钝头体头部的流场结构，将弓形激波向前推移，增加激波脱体距离，已达到降低热流和气动阻力的目的。三是激波针技术[9-11]，即在飞行器头部设计特定的机械结构，改变鼻锥的绕流流场以实现防热减阻的方法。目前，国内外学者分别对逆向喷流以及激波针技术进行了数值模拟研究以及实验研究，黄伟等人[12]对逆向喷流及相关技术进行了较为详细的综述。Rong等人[13-14]使用氮气作为喷流介质进行了数值仿真，得到了与实验数据较为吻合的结果。激波针这一概念由Piland和Putland提出[15]。美国兰利实验室对安装激波针的钝头体在高超声速流场中进行了风洞实验研究[16]。研究指出：安装激波针的钝头体其阻力下降十分明显。日本东京大学Shashank Khurana[17]将激波针应用于X-33简化外形上并进行了风洞实验，验证了激波针的减阻防热能力。目前该技术已经应用到了“三叉戟”I型等导弹的设计当中[18-19]。但激波针本身作为尖锐前缘结构，承受着剧烈的气动加热所以极易被烧蚀。随着对高超声速飞行器可重复使用性能要求的提出，单一的激波针结构已经很难满足需求，为了使其实现可重复使用，文献[20]提出了一种联合激波针以及逆向射流的减阻防热方法，通过数值模拟证明了该方法可以有效降低头部热流，并进一步降低外形阻力。文献[21]在二维平面讨论了喷流激波针的结构参数对弓形头部的减阻防热性能的影响。文献[22]研究发现喷流激波针的结构参数与其减阻性能之间具有较强的非线性规律。耿湘人[23]等人通过数值模拟的方法对比了逆向喷流对二维圆柱和三维轴对称球头的减阻降热效果，发现两种模型在肩部再附区的流动特性区别较大，在球头外形的流场中斜激波会再附在钝体肩部与主激波形成激波，产生局部“热斑”。另外，本文作者在文献[24]中分析了随着攻角的增加，肩部的热环境会更加恶化的现象。因此，本文将针对三维外形肩部热斑问题进行进一步讨论，并探索降低阻力和热流的方法。

1 数值方法

1.1 计算方法

图1：带逆向喷流激波针的外形示意图

图2：激波针流场图与风洞试验纹影图

连续介质的流体力学控制方程是三维Navier-Stokes方程组，选择理想气体状态方程来模拟真实气体性质，并且不考虑彻体力和热源。空间离散采用AUSM格式，时间离散采用LU-SGS格式的隐式迭代法求解加快收敛速度[25-26]。本文所采用的湍流模型为Menter[27]提出的剪切应力输运模型（Shear-Stress Transport-Model），另外文献[21]通过数值模拟与实验数据进行对比，得出SST（k-omega）湍流模型可以更好地模拟逆向射流的流场。

1.2 计算模型

基准模型采用较常见的轴对称旋成体球柱外形，球头半径R为7.5mm，喷流激波针半径r为0.75mm，本文为了分析喷流激波针长度对其减阻防热性能的影响，因此选取激波针长度L为L/R=1～4，球头直径D与喷管出口直径d的比值为31.5。其外形示意图如图1所示。

图3：阻力系数随攻角变化

图4：逆向喷流实验模型

图5：计算网格

图6：钝头体母线斯坦顿数分布

图7：数值模拟密度云图与实验纹影图

图8：静压云图与流线对比图

1.3 边界条件

算例的来流条件取 =6，=1400.9 Pa，=225.47 K，计算中认为壁面无滑移，并且使用了等温壁边界条件Tw=300 K。喷管边界条件为压力入口，喷流出口马赫数为1，喷流总压与来流总压比Pr为0.1～0.4。

2 验证与确认

本文将分别通过对激波针与逆向射流流场进行数值模拟与风洞实验数据结果进行对比，来验证本文数值方法的正确性与可信性。

算例一激波针模型来自于文献[28]，钝头体球头半径R=50mm，激波针长度L=200mm，激波针半径r=5mm，验证算例的边界条件为：来流马赫数 =6，攻角0～8度。数值模拟流场图与风洞实验纹影对比如图2所示。不同攻角下的阻力系数与实验数据对比如图3所示。由图可知，仿真结果与试验数据在数值和趋势上基本吻合。

算例二采用钝头体逆向喷流进行数值模拟来验证本文数值方法对逆向喷流仿真结果的可信性。实验模型来自于文献[29]。实验模型与计算网格如图4和图5所示。来流马赫数为3.98，总压为1.37MPa，温度为95.25K，逆向喷流马赫数为1，喷流总压与来流总压比为0.6，喷流总温为300K。

图9：钝头体母线壁面热流分布

图10：减阻率随L/R变化

算例结果采用斯坦顿数（St）与流场密度分布云图与实验结果进行对比，由图6可知，数值模拟与文献和实验得到的结果变化趋势基本一致，热流峰值的位置基本相同，在回流区下游数值模拟与实验结果存在一定误差可能是由于两者采用的冷却气体不同以及物理模型系数不同造成的。

数值模拟的密度云图如图7所示,图中马赫盘以及激波的位置吻合度较好，马赫盘清晰可见，分离激波较为明显。由以上两算例可以证明本文数值模拟方法的正确性以及可信度。

3 数值模拟结果及分析

为使喷流激波针得到更优的减阻防热性能，本文将讨论喷流激波针长度以及喷流压比对其减阻防热效果的影响，并分析其变化与钝头体肩部热斑的关系。

3.1 喷流激波针长度影响分析

图11：对称面温度分布

本文选取喷流激波针长度L/R=1～4进行数值模拟，图8给出了带不同长度喷流激波针钝头体在流场中的压力云图以及流线分布。从图中可以看出当喷流激波针较短时，斜激波再附在钝头体肩部，产生高压区，随着激波针长度增加，钝头体壁面压力逐渐降低，且壁面压强分布更加均匀，当L/R 3时，斜激波在钝头体表面几乎没有附着。

钝头体壁面热流分布以及减阻率η随喷流激波针长度变化关系如图9、10所示。其中：

CDi为带喷流激波针钝头体的阻力系数，CD1为不带喷流激波针钝头体阻力系数。

从图9可以看出不同长度的激波针对驻点区域的防热能力都比较明显，随着喷流激波针长度的增长，热流峰值逐渐减低，且热流峰值位置向后移动，当L/R≥3时，肩部热流已经低于基准钝头体，热斑问题基本得到了改善。

由图10可知，喷流激波针的减阻能力也随其长度的增加而增长，但是可以看出当L/R超过3时，减阻率的增长趋势明显减弱，随着激波针长度的进一步增加，其减阻能力会达到饱和，反而会对其结构强度提出更高的要求。

图12：壁面热流峰值随喷流压比变化

图13：减阻率随喷流压比变化

3.2 喷流激波针喷流压比影响分析

本小节讨论逆向喷流压比对喷流激波针减阻防热性能的影响，选取喷流压比为0.1～0.4。图11给出了喷流激波针长度为L/R=3时，喷流压比分别为0.1,0.2,0.3,0.4时的对称面温度云图，从图中可以看出，喷流压比越大，脱体激波面形成的位置距离头部越远，激波针头部低温区面积不断扩大将整个喷流激波针头部包裹，改善了头部的热环境。另外，钝头体肩部附近高温区面积逐渐减小，使壁面温度梯度变缓，有利于提高喷流激波针的防热性能，改善钝头体肩部热斑问题。

四种长度喷流激波针钝头体的壁面热流峰值随喷流压比变化如图12所示。从图中可以看出，增加逆向喷流压比有利于降低壁面热流，随着喷流压比的进一步增长，壁面热流下降的趋势减弱。另外，可以看出在喷流激波针长度较短时，增加喷流压比对其防热能力的提高更加明显。

图13给出了喷流激波针减阻率随喷流压比变化的关系，从图中可以看出，喷流激波针的减阻能力随喷流压比的增加而增加，随着压比的增长减阻能力逐渐达到饱和，另外可以看出，在激波针长度较短时，改变喷流压比对减阻效果的影响更加明显，这与在防热方面得到的结论相符。

4 结论

本文通过数值模拟的方法分析了喷流激波针长度与喷流压比对其减阻防热性能的影响，得出以下结论：

（1）当L/R≤2时，钝头体肩部激波干扰较为明显，随着激波针长度增加，钝头体壁面压力逐渐降低，且壁面压强分布更加均匀，其减阻能力增强，但L/R超过3时，这种趋势会减弱，进一步增加其长度可能会产生负面影响。

（2）不同长度的激波针对驻点区域的防热能力都比较明显，随着喷流激波针长度的增长，壁面热流峰值逐渐减低，当L/R≥3时，肩部热流已经低于基准钝头体，热斑问题基本得到了改善。

（3）随喷流压比的增长，脱体激波远离钝头体驻点，激波针头部低温区面积不断扩大将整个喷流激波针头部包裹，改善了头部的热环境。同时,钝头体肩部附近高温区面积逐渐减小，壁面温度梯度变缓，有利于提高喷流激波针的防热性能，改善钝头体肩部热斑问题。

（4）增加逆向喷流压比有利于降低壁面热流，随着喷流压比的进一步增长，壁面热流下降的趋势以及减阻能力减弱。另外，在喷流激波针长度较短时，增加喷流压比对其减阻防热能力的提高更加明显。