学术研究报告：轴对称与矩形超燃冲压发动机中的伪激波（pseudoshock）维度特性研究

一、作者与发表信息
本研究由美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校（University of Illinois at Urbana-Champaign）的Gyu Sub Lee、Damiano Baccarella、Qili Liu、Gregory S. Elliott和Tonghun Lee合作完成，发表于2020年1月的《AIAA SciTech Forum》。研究聚焦超燃冲压发动机隔离段（isolator）内伪激波的动态行为，对比了轴对称与矩形几何构型下伪激波的维度差异及其物理机制。

二、学术背景
1. 研究领域与动机
超燃冲压发动机（scramjet）是高超音速推进系统的核心部件，但其内部流动存在关键失效模式——进气道不起动（inlet unstart）。这一现象会导致发动机推力骤降，而伪激波的动态行为是理解不起动的关键。现有研究多基于一维理论（如Rayleigh流和Fanno流），但实际流动具有高维复杂性，尤其是几何构型对伪激波行为的影响尚未明确。

1. 科学问题
   轴对称与矩形隔离段中伪激波的维度特性差异是否由几何依赖的声学反馈机制主导？研究通过实验揭示了两种构型下伪激波的振荡模式、三维结构及声学共振特性。
   

三、实验方法与流程
1. 实验平台与配置
- ACT-II风洞：采用电弧加热高焓风洞（ACT-II），支持自由流（freeflow）和直连（direct connect）两种模式。本研究在低焓非反应条件下进行，通过惰性气体注入模拟流动堵塞（flow blockage）。
- 两种构型：
- 轴对称模型：直径35 mm，自由流马赫数4.0，通过径向氮气注入触发堵塞。
- 矩形模型：截面35 mm×20 mm，直连马赫数3.0，侧壁与顶/底壁相互作用显著。

1. 流动可视化与测量

   • CO₂平面激光瑞利散射（PLRS）：高频（10 kHz）捕捉伪激波动态，利用CO₂冷凝颗粒增强散射信号。
     
   • 同步压力测量：隔离段内布置快速响应压力传感器阵列（间距15 mm），记录时间分辨压力波动。
     
   • 三维扫描：矩形构型中沿展向（z轴）以1 mm间隔扫描，解析侧壁激波（sidewall shock）的干涉效应。
     

2. 创新方法

   • 高频PLRS技术：结合CO₂冷凝特性，首次在轴对称与矩形构型中实现伪激波三维结构的动态捕捉。
     
   • 声学分析：通过功率谱密度（PSD）识别伪激波振荡的共振频率（365–400 Hz）。
     

四、主要结果
1. 轴对称构型
- 周期性振荡：伪激波表现为二维X型激波系统，在隔离段固定位置以单频（~400 Hz）周期性振荡（图7）。压力数据（图8）显示线性推进与谐振行为，表明声学反馈主导。
- 声学共振：PSD分析（图9）证实核心流动与边界层分离泡（separation bubble）的耦合共振。

1. 矩形构型

   • 三维非定常性：伪激波交替呈现X型主激波（primary shock）和侧壁激波主导的λ型结构（图10）。侧壁激波与顶/底壁激波的干涉导致伪激波无法稳定于单一位置。
     
   • 无全局共振：压力波动（图11）和PSD（图12）显示不规则振荡，源于多维度声学模式（侧壁与纵向模态）的干涉。
     

2. 机制对比

   • 质量堆积（mass buildup）：两种构型中，下游壅塞（choked flow）通过边界层声学传播驱动伪激波运动，但矩形构型的多维声学反射削弱了全局共振。
     

五、结论与价值
1. 理论意义
- 揭示了几何构型对伪激波维度的决定性影响，提出“局部壅塞（local choking）”与声学反馈的耦合机制，弥补了一维理论与实际高维流动的差距。
- 首次实验证明轴对称伪激波的二维谐振特性与矩形构型的三维非定常性差异。

1. 应用价值
   
   • 为超燃冲压发动机隔离段设计提供优化依据：轴对称构型可通过抑制声学共振提升稳定性，矩形构型需考虑侧壁激波控制。
     
   • 为不起动预警系统开发奠定基础，如基于压力频谱的实时监测。
     

六、研究亮点
1. 方法创新：高频PLRS与压力同步测量技术结合，实现了伪激波动态的高时空分辨率解析。
2. 发现创新：
- 轴对称伪激波的二维周期性振荡是声学共振的首个实验证据。
- 矩形构型中侧壁激波的三维效应为首次系统观测。
3. 理论突破：提出质量堆积-声学反馈的统一框架，解释不同几何下伪激波传播的物理本质。

七、其他价值
研究还发现，燃烧与非反应流动的壅塞行为具有相似压力分布（引用[29]），暗示热壅塞（thermal choking）与质量堵塞的共性机制，为后续多物理场耦合研究提供方向。