射流与超声速来流剪切层作用的数值模拟研究

环境压力，导致射流在剪切层边界被压缩，形成反射激波或称拦截激波，射流边界和拦截激波之间为射流剪切层。

在超声速来流剪切层和射流剪切层的交汇处，会形成一股新的射流射入回流区，我们称为次生射流。研究发现，次生射流具有周期性，与剪切层的波动有关。当超声速来流剪切层的水平倾角达到一定高度时，新的次生射流射出;如果超声速来流剪切层的水平低于一定高度，次生射流将停止喷射。

在超声速来流剪切层和射流剪切层相互作用后，两个剪切层汇聚到一起，形成一股新的剪切层，称为混合剪切层。由于剪切层两侧的速度是不匹配的，因此它受到Kelvin-Helmholtz不稳定性的影响压力的波动对剪切层产生新的扰动，在混合剪切层两侧出现了微弱的激波群结构。这些微弱的激波被包裹在由两个剪切层相互作用形成的两个激波之间。

次生射流是由超声速来流剪切层和射流剪切层之间的相互作用产生的结构现象，同时，由于次生射流的射出，次生射流的前端会产生一道微弱的激波，我们称之为次生激波。如果次生激波向右移动，则次生激波的波前的超声速来流剪切层部分会被抬高。另一方面，如果次生激波向左移动，则次生激波的波前的超声速来流剪切层部分将被压下。在超声速来流剪切层的另一侧，二次冲击波也产生其自身的透射激波。如图2～图5所示。

由于次生激波和第二个台阶上壁面的作用，导致界面上产生Richtmyer-Meshkov不稳定性。如图6所示。我们可以发现在CD和DE的交界处存在明显的蘑菇结构，这些蘑菇结构是次生激波加速卷人壁面的射流剪切层的物质。

2.2 过膨胀射流和欠膨胀射流

我们研究了来流剪切层和射流剪切层的压比为0.6情况下的流场结构特点。射流压力低于环境压力，因此，此时的射流是过膨胀射流。过膨胀射流和超声速来流作用于第二个后台阶的位置，从而形成了复杂的流场结构。在0.1s的时间内，射流剪切层出现了振荡现象，在喷流剪切层和流入剪切层之间也不会产生次生喷流。这是因为如果射流是典型的过度膨胀射流，超声速来流剪切层提前失稳，超声速来流剪切层和射流剪切层相互作用微弱，此时则不会产生二次射流。

我们还研究了压比为1.2/2.5/10/30情况，在这5种情况下，射流的压力高于周围的压力，这表明此时的射流是典型的欠膨胀射流。首先，我们以压力比2.5为例。从0.01s到0.10s，如图7～图10所示，共有4个周期，每个周期约为0.021s。我们选择了第一个周期：从0.015～0.040s。利用组分标定的方法，第一个台阶上方的超声速流动被标注为蓝色，第二个台阶左端射出的射流标记为红色。如果射流剪切层和超声速来流剪切层之间物质的颜色变成金色，则意味着在回流区内喷入了超声速来流和射流的混合物质。这种方法可以很好地直观描述次生射流的产生过程。次生射流注入回流区后，射流水平倾角变小，射流剪切层压低，次生射流开始停止射入，随后射流剪切层再次抬高直到新的次生射流射入，新的周期产生，从而循环往复。

2.3 次生射流的周期性

为了研究不同压力比对次生射流的影响，我们选择不同的压力比为2.5，10，30。由于次生射流对回流区压力变化有影响，我们选择图10所示的壁面5个压力点来观察次生射流的周期性。

如图11所示，这5个点的压力变化几乎是相同的频率，因此我们可以从数据角度准确觀察次生射流。

如图12（a）所示，我们可以准确观察4个周期的间隔。它们的周期大概在0.025s，周期频率在50Hz左右。这意味着当超声速来流和射流压比变大时，整个周期波动的频率几乎没有变化。由于射流剪切层局部也会震动，我们可以观察到主周期也有其他细微的波动，当压力比较小时，射流剪切层整体周期性波动的影响处于主导地位，同时，射流剪切层局部振动影响相对较小但存在。

然而，如图12（b）所示，当压力比为30时。除了主循环外，我们可以注意到有很大的波动性。压比变大时，射流剪切层局部振动影响变大，甚至超声速来流剪切层出现失稳现象。每个主循环大约为0.025s。即使压力比变化，压力点的周期不会改变。射流剪切层整体的震动形成了主要周期和次生射流。由于射流剪切层的局部振动和超声速来流剪切层可能会提前失稳，也会导致来流区壁面附近的压力变化。但是，我们仍然可以观察到完整的循环。尽管压力比变化，主循环仍然约为0.025s，周期频率约为50Hz。

次生射流的周期性与压力比变化之间存在一定的关系，但压比变大会使得剪切层失稳更加显着，这就导致了射流剪切层的局部振动和超声速来流剪切层的提前失稳。

3 结论

通过分析，可以得出以下结论：

（1）射流剪切层与超声速来流剪切层相互作用，由于相互作用产生次生射流和混合剪切层。两个弱的冲击波位于混合剪切层的两侧。由于混合剪切层两侧的速度不一致，混合剪切层受到Kelvin-Helmholtz不稳定性的影响，然后失稳形成一些Kelvin-Helmholtz涡旋。

（2）次生射流具有周期性。周期性与射流剪切层的整体振荡有关。回流区壁面附近的压力变化受三个因素影响：射流剪切层整体振动、射流剪切层局部振动、超声速来流剪切层提前失稳。其中，射流剪切层整体振动是回流区压力变化的主要因素。随着压比的增加，其他两个因素的影响也增强。这意味着压力的增加导致两个剪切层之间相互作用的增强。

（3）现有工况下次生射流的周期约为0.025s，频率约为50Hz。即使压力比发生变化，射流剪切层波动的主要周期基本保持不变。因此，次生射流的周期并不随压力比的变化而变化。

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