中国科大成功研制高强度激波管并揭示高速界面流动机理

来源：中国科学技术大学时间：2025-03-07 06:15:45

中国科学技术大学工程科学学院、空天飞行高温气动全国重点实验室罗喜胜教授和司廷教授研究团队经过长期攻关，建立了变截面激波管光滑弯曲壁面设计的理论方法，突破了汇聚激波和强激波可控生成的多项关键技术，成功研制了高强度多功能一体化的激波管设备，该项成果发表于国际著名的仪器期刊Review of Scientific Instruments。在此基础上，研究团队开发了间断型扰动界面生成技术，率先开展了激波管中强激波冲击单模流体界面不稳定性的实验和机理研究，最新成果以Rapids形式于3月3日发表于流体力学知名期刊Journal of Fluid Mechanics。

激波诱导流体界面不稳定性是空天飞行器、惯性约束核聚变等面临的共性关键科学问题，相关的基础理论和物理认识仍十分缺乏。目前国际上主要采用激波管这一特种设备开展空气动力学相关的基础研究，然而可控生成形状规则、能量利用率高的汇聚激波和强激波一直是该领域面临的重要难题，对流体力学及交叉学科的前沿基础研究提出了严峻挑战。鉴于此，研究团队基于激波动力学理论和反向设计思想，建立了光滑弯曲壁面设计的理论方法，提出了正交布局、多级转换的激波增强方案，成功研制了用于生成汇聚激波和强激波的激波管特种实验设备（图1）。实验验证表明，该设备在一级转换下便能够生成马赫数高于3.0的强激波，并有利于初始扰动界面设置和高速流场诊断。在多级转换下，研究团队有效克服了单一维度面积收缩带来的气流壅塞问题，并综合考虑了高温气体效应、边界层效应带来的影响，能够一步到位地可控生成高强度汇聚、平面及发散激波，开辟了强激波冲击流体界面及其诱导湍流混合实验研究的新途径。

图1. 最新研制的特种实验设备——高强度多功能一体化的激波管。

研究团队进一步开发了近似理想的间断型界面生成技术，采用厚度2 μm的聚酯薄膜可有效分隔不同密度的初始气体，且其能够在强激波形成的高温环境中瞬间分解（在1050 K左右发生全部分解反应），不再产生干扰流场的碎片。针对最基本的小振幅轻-重单模界面构型，在国际上率先开展了激波马赫数高于3.0的激波诱导流体界面不稳定性的激波管实验观测，清晰地捕捉了激波和界面演化的全过程（图2a）。研究团队重点开展了主要控制参数下界面扰动演化的定量分析，揭示了强可压缩效应对界面形态和扰动振幅演化的影响规律，阐明了横波效应和激波接近效应等对扰动非线性演化的作用机制，并基于实验结果呈现的物理见解，成功建立了适用于强可压缩流动的界面振幅增长预测模型（图2b）。下一步将可控生成具有更高马赫数的强激波，系统研究流体界面耦合与竞争、界面扰动增长调控等关键问题，为国家重大工程提供基础数据和科学支撑。