航空學(xué)院和極端力學(xué)研究院葉坤團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期聚焦高速飛行器極端環(huán)境多場(chǎng)耦合方向。近日，團(tuán)隊(duì)在高速進(jìn)氣道流固耦合失穩(wěn)研究方面取得重要突破。相關(guān)成果以《The hypersonic inlet buzz evolution under the fluid-structure interaction effect with a flexible plate》為題，發(fā)表于流體力學(xué)國(guó)際頂級(jí)期刊《Journal of Fluid Mechanics》。論文的主要作者為航空學(xué)院和極端力學(xué)研究院葉坤教授，航空學(xué)院碩士研究生郭彥秋，西北工業(yè)大學(xué)為該論文的第一署名單位。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委優(yōu)青項(xiàng)目、“葉企孫”重點(diǎn)項(xiàng)目、面上項(xiàng)目、“飛行器復(fù)雜流動(dòng)與控制創(chuàng)新引智基地”的資助。
高速飛行器是21世紀(jì)航空航天領(lǐng)域戰(zhàn)略制高點(diǎn)，對(duì)國(guó)家安全與科技發(fā)展具有至關(guān)重要的意義。進(jìn)氣道是影響高速飛行器超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定工作的關(guān)鍵部件，其內(nèi)部復(fù)雜的激波系統(tǒng)對(duì)來(lái)流減速和壓縮起決定性作用。然而，當(dāng)來(lái)流馬赫數(shù)過(guò)低、背壓過(guò)高或攻角偏大時(shí)，進(jìn)氣道內(nèi)會(huì)產(chǎn)生具有強(qiáng)非線(xiàn)性和非定常特征的喘振現(xiàn)象，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)熄火和結(jié)構(gòu)破壞，嚴(yán)重威脅飛行安全。因此，進(jìn)氣道流動(dòng)失穩(wěn)及喘振演化機(jī)理是高速空氣動(dòng)力學(xué)中備受關(guān)注的關(guān)鍵問(wèn)題，具有重要的工程應(yīng)用背景。
圖1高速飛行器
長(zhǎng)期以來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)理論分析、數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)進(jìn)氣道喘振的誘發(fā)機(jī)理進(jìn)行了廣泛探索。研究普遍認(rèn)為，喘振的產(chǎn)生與演化源于外部擾動(dòng)（如來(lái)流馬赫數(shù)變化或背壓升高）所引發(fā)的流動(dòng)不穩(wěn)定性。這種觀(guān)點(diǎn)隱含著“誘因必為外源性”的局限。
然而，隨著高速技術(shù)向更高馬赫數(shù)（極端環(huán)境）和更輕結(jié)構(gòu)（極致性能）方向發(fā)展，導(dǎo)致流固耦合效應(yīng)在高速飛行器進(jìn)氣道的設(shè)計(jì)中愈發(fā)突出。不同于以往由外部擾動(dòng)觸發(fā)的流動(dòng)不穩(wěn)定性，流固耦合作為一種“內(nèi)源性”擾動(dòng)機(jī)制，可通過(guò)流動(dòng)與結(jié)構(gòu)間的動(dòng)態(tài)反饋形成持續(xù)的自激作用，進(jìn)而引發(fā)具有獨(dú)特特征的非定常失穩(wěn)過(guò)程，這是對(duì)傳統(tǒng)外源驅(qū)動(dòng)型喘振機(jī)理的重要拓展。然而，流固耦合如何誘發(fā)進(jìn)氣道喘振失穩(wěn)演化？這一實(shí)際高速工程應(yīng)用中的重要基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題尚沒(méi)有答案。
葉坤團(tuán)隊(duì)的研究揭示：與以往由外部擾動(dòng)誘發(fā)的傳統(tǒng)“突發(fā)型”喘振不同，壁板的流固耦合效應(yīng)使系統(tǒng)經(jīng)歷了一個(gè)獨(dú)特的“緩發(fā)”過(guò)程，其喘振形成時(shí)間是傳統(tǒng)剛性進(jìn)氣道的數(shù)倍以上。并且在這一過(guò)程中，喘振演化過(guò)程呈現(xiàn)出由線(xiàn)性增長(zhǎng)、非線(xiàn)性增長(zhǎng)、突變直至完全喘振的多階段演化特征。壁板流固耦合導(dǎo)致進(jìn)氣道非定常流場(chǎng)不穩(wěn)定能量的持續(xù)積累與釋放，最終觸發(fā)流動(dòng)的全域失穩(wěn)并形成周期性喘振。不同于傳統(tǒng)研究中由外界擾動(dòng)誘發(fā)的喘振機(jī)制，該研究中誘發(fā)喘振失穩(wěn)的是一種由內(nèi)部流動(dòng)與結(jié)構(gòu)相互作用形成的自激擾動(dòng)源，盡管其初始擾動(dòng)極為微弱，但表現(xiàn)出高度持續(xù)的積累效應(yīng)和獨(dú)特的多階段特性。
該研究不僅打破了傳統(tǒng)剛性體假設(shè)下對(duì)進(jìn)氣道喘振機(jī)理的認(rèn)知，也為理解該類(lèi)流動(dòng)不穩(wěn)定性的誘發(fā)機(jī)制提供了嶄新視角。研究成果對(duì)于深化高速進(jìn)氣道流動(dòng)失穩(wěn)的物理認(rèn)知、指導(dǎo)進(jìn)氣道-發(fā)動(dòng)機(jī)的精細(xì)化設(shè)計(jì)與安全性提升具有重要的科學(xué)價(jià)值與工程意義。
圖2 高速進(jìn)氣道流固耦合誘發(fā)喘振失穩(wěn)演化機(jī)理
該研究由葉坤教授所在復(fù)雜環(huán)境多物理場(chǎng)耦合與流動(dòng)控制團(tuán)隊(duì)完成。團(tuán)隊(duì)核心成員包括葉坤教授（團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人）、葉正寅教授、許和勇教授、武斌副教授、廖飛副教授、史愛(ài)明副教授、田堯講師等教師，長(zhǎng)期致力于航空航天領(lǐng)域中復(fù)雜極端環(huán)境下多物理場(chǎng)耦合與流動(dòng)控制方法、機(jī)理與工程應(yīng)用。近五年來(lái)，團(tuán)隊(duì)已在《Journal of Fluid Mechanics》、《AIAA Journal》和《Physics of Fluids》等航空航天與流體力學(xué)領(lǐng)域權(quán)威期刊發(fā)表論文100余篇。團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的高效高精度流固耦合程序已集成入國(guó)家數(shù)值風(fēng)洞NNW-FSI模塊，為國(guó)家多個(gè)型號(hào)的高速飛行器研制提供了關(guān)鍵技術(shù)支撐。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1017/jfm.2025.10726
（來(lái)源：航空學(xué)院；審核：李斌）
