第1章绪论
1.1研究背景与意义
在（高）超声速流动中，存在激波、膨胀波、边界层等流动结构之间的相互作用。激波/边界层干扰（shock wave/boundary layer interaction， SWBLI）就是其中一种，Ferri［1］于1939年*次在实验中发现了这一现象，此后人们对这一现象开展了大量的研究工作。其广泛发生在（高）超声速飞行器外表面、跨声速翼型表面、运载火箭的外表面、（高）超声速进气道内及隔离段、燃烧室内等位置。
在（高）超声速飞行器的内部流场和外部流场中，激波/边界层干扰将导致流场区域内激波波系的显著变化，使得流动在壁面分离，产生流场畸变，造成大量能量损耗，并使得总压恢复降低［24］。同时，激波/边界层干扰会使流场发生非定常振荡以及飞行器局部气动力、热载荷过高等严重问题，还可能导致吸气式发动机进气道内气流边界层增厚、流道出现“壅塞”，甚至导致进气道不起动，影响发动机的正常工作［57］。在高超声速飞行器的相关研究中，激波/边界层干扰是必须引起重视的主要问题。因此，对激波/边界层干扰进行控制，有利于高速飞行器安全稳定地运行。
流动控制是应用流体技术中*主要的研究领域，随着认识水平和工程技术的发展，流动控制技术已经取得了许多重要的突破。现有的激波/边界层控制方法主要包括微型涡流发生器（micro vortex generator， MVG）、边界层抽吸、壁面鼓包以及脉冲射流、磁流体控制、等离子体控制等方法。
当前有多种控制方法，且研究人员也更倾向于研究流动结构复杂、能够产生反馈的主动控制系统，但*有效、结构简单、应用*安全的方法还是以MVG为主。同时，由于其应用范围广，安全风险低，在飞行中出现脱落产生异物的风险很低，可以应用于（高）超声速飞行器的进气道内。
MVG虽然以被动控制为主，但可以作为主/被动一体控制的重要组成部分。MVG及其组合体是近年来（高）超声速飞行器内外流动中*有应用前景的激波/边界层干扰控制方式，并成为当下激波/边界层干扰控制研究的热点。
因此，本章总结了近期激波/边界层干扰的研究及微型涡流发生器控制激波/边界层干扰的研究进展情况。
1.2激波/边界层干扰研究进展
激波/边界层干扰通常发生在超声速和高超声速流动中。如图1.1所示，超声速来流边界层内的流体在黏性力的作用下，边界层内的速度从靠近主流的超声速呈正比例降低到接触壁面的零速度，导致入射激波滞止在边界层内的声速线上，而不会终止在壁面位置。由于激波压缩效应产生的波后压升无法影响上游流场，只能从靠近壁面的亚声速区域传播到上游，即产生了逆压梯度，进而干扰区域内流体速度降低，流线自壁面向上凸出，边界层厚度增加，干扰区域内流体速度减慢。边界层抵抗逆压梯度的能力较差，因此当激波强度达到一定程度时，流动即出现分离并产生较高的总压损失［8， 9］。在壁面流动发生分离的情况下，激波/边界层相互作用区域的流场结构会比壁面流动未发生分离条件下更复杂。
图1.1激波/边界层干扰示意图［8］
根据对流场干扰的特性分析侧重，可以分为时均干扰流场特性分析和动态干扰流场特性分析。
1.2.1时均干扰流场特性分析
对时均干扰流场特性进行分析，能够更加清晰地分析干扰流场组织结构，有利于掌握工程设计的实际情况。
王博［10］分析了SWBLI流场与理论无黏激波反射中波系结构及主流参数的差异，对比研究了不同入射激波强度下SWBLI流场时均波系结构、边界层形态及分离区尺度的变化，并基于雷诺平均对SWBLI流场流向动量平衡进行分析，确认了压力梯度与当地动量平衡在SWBLI流场中的主导作用。
Zhou等［11］基于二维预测结果，分别得到了低马赫数和高马赫数两个模型的分离长度，来流马赫数的范围为2≤Ma≤7。但是，在他们的研究中并未考虑激波/边界层干扰的三维情况。
2018年，Vanstone等［12］实验研究了在马赫数为2的流场中，不同压缩角的两个中等后掠压缩斜坡产生的SWBLI平均流动结构。这也是**批使用粒子图像测速（particle image velocimetry， PIV）技术研究后掠压缩斜坡流场的研究之一。研究发现，分离区域外的流向速度分量和体表的流动特征能同时达到准锥形状态，而分离区内的速度流向分量和横向分量需要较长时间才能恢复准锥形状态，表明低量级速度分量的起始区域实际上大于先前的假设。
Yue等［13］研究了唇罩激波对简单斜坡型高超声速进气道再起动特性的影响。唇罩激波强度是决定进气道再起动的关键因素，更强的唇罩激波会导致更大的分离气泡和更高的压力损失，从而降低进气道的再起动能力。他们通过实验确定了唇罩角度的敏感范围为7°～9°，并提出了一个多段无合并唇罩激波的设计概念，且验证了其能显著提高进气道的再起动能力。
2019年，Funderburk和Narayanaswamy［14］研究了来流马赫数为2.5的情况下，负弯*压缩斜坡处产生的SWBLI。斜坡安装在一个半圆形空心圆柱的内表面上，并与具有相同斜面角的平面情况相比，如图1.2所示。结果表明，与平面斜坡相比，负弯*斜坡显著增加了分离尺寸。
图1.2半隔离模型和平面斜坡模型的等轴视图［14］
Pasha和Juhany［15］研究了来流马赫数为12.2的双锥体表面流场下层流高超声速SWBLI中壁温对分离泡尺度的影响。研究发现，随着壁温升高，分离泡的尺寸及分离激波的长度均增加。
Huang及其团队［16］为了节省计算成本，提出了一种基于平均流动划分的工程方法来预测SWBLI入射区域压力波动的分布。
1.2.2动态干扰流场特性分析
分离过程通常不稳定并导致流场产生大规模非定常振荡［17］，并且它通常与分离激波的低频振荡相关，其频率远低于来流的边界层湍流［18］。
2015年，Gaitonde［19］从流场低频振荡［20］、传热预测能力、复杂相互作用现象和流动控制技术四个方面总结了激波/边界层相互作用研究的*新进展。然而，激波/边界层干扰控制研究在他的工作中占比很小，并且没有对激波/边界层干扰的智能控制进行研究。
Huang和EstruchSamper［21］实验研究了马赫数为3.9的轴对称湍流边界层上的典型表面不连续性引起的大规模扫频激波/湍流边界层干扰的低频振荡。Pasquariello等［22］也分析了高雷诺数流动下的激波/湍流边界层干扰中剧烈流动分离的典型频率和低频率动力学。Clemens和Narayanaswamy［23］在他们的综述中声称，*近提出的剪切层夹带再补给机理应该可以充分地描述低频动力学。
2018年，Knight和Mortazavi［24］回顾了自1993年以来的高超声速激波/边界层干扰研究，他们发现直接数值模拟（direct numerical simulation， DNS）方法是获得平均和波动气动热负荷*有效的预测方法，但是使用该方法的计算成本和时间消耗都非常大。Vyas等［25］使用壁面分解的大涡模拟（large eddy simulation，LES）来模拟激波/边界层之间的相互作用，以检查雷诺应力分布。
为了正确地预测分离区的大小，Hao和Wen［26］研究了振动不平衡性对低总焓下高超声速双锥和空心圆柱火焰流的影响，并考虑了三种不同的流动模型，分别为完全气体与振动非平衡态气体的混合物、完全气体与具有不同模式振动非平衡的混合物及完全气体和量热完全气体的混合物。
2020年，孙东等［27］采用DNS方法研究了激波/边界层干扰中强展向振荡的影响，发现展向振荡作用会使流动提前分离；振荡穿透深度较浅，因此对整体流动结构的影响不大，但会对壁面附近造成较大影响。
通过对激波/边界层干扰现象的深入研究，人们发现通过流动控制的方法避免激波/边界层干扰带来的不良影响，这对于理论研究和科学实践都非常重要。
1.3激波/边界层干扰控制研究进展
为了降低激波/边界层干扰所引发的负面作用，需要采用流动控制的方法来解决问题。流动控制的位置可以在激波/边界层干扰位置之前或发生干扰的作用点对流场进行操纵或调整。从控制的流动结构来看，流动控制的方法可以分为控制激波和控制边界层。目前应用较为广泛的方法是控制边界层。该方法通过改变在激波/边界层相互作用点以及之前的近壁流场，达到防止或减小激波引起流动分离的目的。
流动控制的类型主要分为被动控制和主动控制。其中，被动控制包括边界层抽吸［2830］、壁面鼓包［3133］、微型涡流发生器等方法；主动控制包括吹除控制［34］、射流控制［3539］、磁流体控制［40， 41］、等离子体控制［4244］等方法。目前控制方式多种多样，研究人员更倾向于研究可以主动控制且有反馈的复杂流动控制系统，但*有效、结构简单、应用*安全的方法还是以微型涡流发生器为主。因此，微型涡流发生器及其组合体是近年来（高）超声速飞行器进气道中*有应用前景的控制方式，并成为SWBLI控制研究的热点。
1.3.1微型涡流发生器在内部流场中控制研究进展
涡流发生器（vortex generator，VG）于1947年被提出，目的是防止因气流分离而使飞行器偏离设计状态［45］。自出现以后被广泛地研究和使用，逐渐成为现有飞机边界层分离控制中常用的被动控制技术。
传统的VG高度一般与边界层高度相当或者略高于边界层，应用于超声速情况下时存在附加阻力过大且对主流产生的扰动过强等问题，因此提出了减小VG尺寸的发展思路。
微型涡流发生器是一种有效的流动控制装置，相对于传统的VG，其尺寸大大减小，高度一般为边界层高度的10%～70%。其通过尾流产生的流向漩涡对将边界层上层的高能气流卷入边界层底层并与底层低能气流掺混，从而提高边界层底部低速区的动量，提升其抗逆压力梯度的能力，实现对边界层分离的控制，在（高）超声速飞行器的内外流动中都具有广泛的应用前景。微型涡流发生器的高度比当地边界层的厚度要小，使得微型涡流发生器的附加阻力很小，有利于减小非控制状态下的流动阻力，并能够在很大程度上减小涡流发生器的局部热载荷。
张悦等［46］在综述中将常见的微型涡流发生器总结为如下几种： 斜坡式MVG（microramp）、翼片式MVG（microvane）、鱼骨式MVG（wishbone type）和多片惠勒叶片式MVG（Wheeler vanes），如图1.3所示。其中，斜坡式MVG由于其结构稳定且热防护相对容易，是当前研究的热点流动控制技术。
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