压力驱动的泄压-充压循环优化技术：用于控制超音速流中的激波与湍流边界层相互作用

《Acta Astronautica》：Optimization of pressure-driven bleed–blow loop for controlling shock wave/turbulent boundary layer interactions in supersonic flows

本研究通过数值模拟提出双吹槽压力驱动吹吸循环（PBBL）方法，有效抑制高超声速流动中的冲击波/湍流边界层相互作用（SWBLI）。相较于单吹槽设计，双吹槽在高压环境下使分离泡面积减少55.54%-80.59%，Stagram峰值降低91.25%，且在Pr5-5条件下维持稳定流动。实验表明PBBL能降低壁面热通量，改善进气道稳定性，为极端背压环境下的流动控制提供新思路。

　　

曾福民|罗秦|郭光明|何国胜

南昌航空大学动力与能源学院，中国南昌330063

摘要：

冲击波/湍流边界层相互作用（SWBLI）可能引发多种不利效应。在之前研究的基础上，这些研究证明了压力驱动的泄流-吹气环（PBBL）作为一种被动流动控制技术的有效性，本文对PBBL方法进行了数值分析。我们提出了一种新型的双吹气槽配置，与传统的单槽设计相比，能够更有效地控制冲击波/湍流边界层相互作用。双槽设计具有更优的性能，在高背压环境下显著减小了分离泡面积并改善了流动控制效果，从而提供了比传统方法更可靠的解决方案。结果表明，与未受控制的基线情况相比，PBBL使分离泡面积减少了80.59%。与单槽配置相比，双槽设计显著增强了流动控制效果，分离泡面积减少了55.54%。此外，随着背压的增加，PBBL抑制峰值斯坦顿数（St_peak）的效果逐渐提高。在Pr4-(2)条件下（背压为入口压力的四倍，流场运行时间为2毫秒），St_peak显著低于未受控制的情况，减少了91.25%。在没有PBBL解决方案的情况下，系统在Pr5-(5)条件下无法启动，而带有PBBL解决方案的情况在隔离器的入口处保持了稳定的低压。这些结果表明，PBBL，特别是双槽配置，为减轻SWBLI、降低热负荷和改善严重背压环境下的入口稳定性提供了一种有效且可靠的方法。

引言

随着高速飞行技术的不断进步，高超音速巡航飞行器正逐渐成为现实。为了确保高效和持续的推进，这些飞行器通常采用吸气式发动机，如超燃冲压发动机[1]。然而，冲击波/湍流边界层相互作用（SWBLI）常常导致超音速流场中的大规模边界层分离，这是因为边界层变厚以及压力梯度不均匀，尤其是在发动机入口等关键部件处[2]，如图1所示。这种现象可能导致一系列有害效应，包括壁面热流增加、总压损失、流动不稳定、流动分布不均匀，在极端情况下，还可能导致入口失速或完全流动阻塞[3]、[4]、[5]。

为了减轻SWBLI的不利影响，研究人员提出了多种被动和主动流动控制策略。被动控制方法主要基于几何优化，包括表面轮廓凸起[6]、机械微涡流发生器阵列（例如微坡度或叶片）[7]、[8]、[9]、[10]、[11]、[12]、[13]、[14]、[15]、[16]以及后向台阶[17]等装置。主动控制技术则依赖于外部能量输入，包括边界层吸力（BLS）[18]、质量注入或吹气[19]、合成（零净质量）射流[20]、磁流体动力学（MHD）流动控制[21]、[22]以及基于等离子体的激励方法，如介质阻挡放电（DBD）和弧放电[23]。

自从识别出SWBLI以来，已经积累了大量的理论、实验和数值研究[24]、[25]、[26]、[27]、[28]、[29]。例如，左等人[30]对轴对称内部流中的圆锥形冲击波/湍流边界层相互作用进行了详细的RANS研究，揭示了由反射圆锥形冲击波引起的分离泡和特征λ-冲击波系统的形成。他们的结果强调了内部CSBLI的固有三维性质，以及分离拓扑和壁面压力上升对冲击波强度和内部压缩效应的强烈敏感性。此外，Chyu等人[31]研究了基于泄流的SWBLI控制方法，表明通过泄流/流动去除来缓解局部压力上升可以减弱分离泡并提高冲击波稳定性，特别是在背压增加的情况下。这种压力缓解机制为压力驱动的泄流-吹气环概念提供了直接的物理基础，在这种概念中，低动量流体是被被动重新分配的，而不是从流中连续抽取的。杨等人[32]探讨了超燃冲压发动机隔离器中微涡流发生器的布置，并强调了定位在提高隔离器性能和抗背压能力方面的关键作用；然而，这类装置会引入永久性的几何突起，即使在非设计条件下也会导致持续的阻力损失。除了上述SWBLI流动控制方法外，二次循环射流作为一种替代的被动策略也出现了，用于减轻SWBLI引起的分离。严等人[33]研究了压力驱动的泄流-吹气环（PBBL）系统的性能，这是一种有前景的SWBLI控制方法。他们分析了反馈管道几何形状以及吸力/喷射槽的大小和位置对流动控制效果的影响。结果表明，槽的位置具有重要影响，而槽的大小则相对次要。杜等人[34]使用ANOVA和Duncan的多范围测试对PBBL系统进行了多目标优化，结果与CFD模拟结果一致。钟等人[35]进一步研究了不同背压比对流动特性的影响，并提出了一种基于优化PBBL配置的自适应控制策略。然而，他们的研究没有与基线配置进行详细比较，也没有探讨在高背压条件下的失效机制。

然而，传统的单槽PBBL配置主要通过单一的、集中的动量注入来实施控制。这通常会导致一个众所周知的权衡：虽然有效减少了分离区的大小，但由于冲击波更加剧烈和直接，可能会导致重新附着点附近的热流局部增强[34]、[35]。这一固有的局限性突显了需要一种更精细的控制策略，将流动分离的控制与峰值热负荷的减轻分开。

尽管SWBLI受到了大量研究关注，但基于被动反馈的激励研究仍然有限。作为一种不需要外部能量、动量损失小且没有持续阻力的方法，压力驱动的泄流-吹气环（PBBL）在控制超燃冲压发动机内的流动分离方面具有巨大潜力[36]、[37]、[38]、[39]。该装置通过利用SWBLI流场内的自然压力差来建立泄流-吹气反馈循环：一部分下游高压流被引入反馈管道，然后通过上游槽吹出，从而为近壁边界层添加动量并抑制分离。这种被动压力驱动的反馈机制使PBBL与其他提到的流动控制方法区分开来。虽然它与边界层吹气和微射流注入具有添加动量的功能，但PBBL无需外部能量输入即可运行。与会产生持续阻力的机械涡流发生器或需要辅助系统的主动方法（如吸力或等离子体激励）不同，PBBL在简单性、最小损失和稳健的分离抑制之间提供了折中。为了避免与SWBLI固有的分离泡循环混淆，本文中不使用“循环”一词来描述相互作用物理过程；相反，采用了泄流槽、吹气槽和反馈环/管道等术语。为了明确传统旁路概念、单槽PBBL/SRJ系统与当前双槽设计之间的区别，表1总结了它们的关键特征和局限性。

在这项研究中，采用了基于雷诺平均纳维-斯托克斯（RANS）的数值模拟方法来优化PBBL回流通道的几何参数，检查其详细的流动行为，并提出了一种有针对性的优化策略。值得注意的是，工程实践中的实际操作条件通常比模拟中的情况更为复杂。以往的研究对高背压环境下PBBL的行为关注不足。因此，本研究旨在研究PBBL在不同背压条件下的控制性能，详细分析其失效机制，并为未来在极端条件下基于PBBL的流动控制研究提供理论见解和指导。本文的其余部分组织如下：第2节描述了本工作中使用的物理模型和模拟案例，简要介绍了RNAS方法，并用现有的数值和实验结果进行了验证；第3节展示了数值模拟的结果和讨论；第4节分析了PBBL在不同背压下的性能，并讨论了模拟结果；最后，第5节列出了从这项工作中得出的几个重要结论。

部分内容摘录

物理模型和数值方法

• 物理模型

在这项研究中，采用了二维配置以简化模型并降低计算成本。虽然这简化了分析，但可能无法捕捉到三维效应，例如展向变化，这些不在本研究的范围内（见图2）。隔离器的长度设置为130毫米，一个诱导冲击波的坡度位于上壁距离入口20毫米处。坡度的倾斜角度λ为20°，长度为10毫米。

结果与讨论

• 流场特性

图9展示了未受控制的基线情况（NC）和三种单槽PBBL配置（CA、CB和CC）的马赫数等值线，清楚地展示了PBBL对SWBLI结构所做的基本修改。在基线情况下，入射冲击波与下壁的增厚边界层相互作用，产生了一个大的分离泡，随后是一个强烈的反射冲击波。

在不同背压下评估表现最佳的情况（S8）

现有文献大多集中在固定背压下的控制效果研究上。然而，在实际工程应用中（例如超燃烧冲压发动机的燃烧室），背压经常发生显著动态变化。因此，研究背压变化对基于PBBL的被动控制性能的影响以及背压与动态变化之间的关联机制具有重要的研究价值。

结论

本研究证明了双槽压力驱动的泄流-吹气环（PBBL）在控制高超音速流中的冲击波/湍流边界层相互作用（SWBLI）方面的有效性。双槽设计提高了平均流场的稳健性，减少了平均分离范围，比传统的单槽方法具有更好的性能。它显示出在提高入口操作性和背压耐受性以及入口/隔离器设计的热管理方面的潜力。

作者贡献声明

何国胜：监督、资源管理、项目管理、概念构思。曾福民：撰写——原始草稿、可视化、验证、软件开发、调查、形式分析、数据整理、概念构思。罗秦：验证、调查、数据整理。郭光明：撰写——审稿与编辑、资源管理、调查、资金获取、概念构思

数据可用性

支持本研究发现的数据可向相应作者提出合理请求后获取。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（编号：12362024）、江西省自然科学基金（编号：20242BAB23006和20252BAC240180）、近空间环境特性与效应国家重点实验室（编号：2025NS16）以及北京市自然科学基金（编号：L248040）的支持。本文的部分数值模拟是在现代教育技术与信息中心的高性能计算服务上进行的。