利用跨音速擴壓器減慢超音速

擴壓器有兩個主要用途：

1. 減慢流體流動

2. 增大靜壓

這些功能在多種應用領域都非常有用，包括幫助暖通空調系統均勻地分配風量、減少超音速噴射器中的壓力損失、盡可能地減少離心泵中的湍流，以及減少賽車阻力。

擴壓器是超音速飛機推進系統中的重要部件。舉例來說，沖壓式噴氣發動機（也稱為“飛行的煙囪”）是一種使用擴壓器作為入口的吸氣式噴氣發動機。擴壓器將發動機內的氣流減慢到亞音速，這樣就不會使燃燒器熄滅，也有助于將流動損失降到最低。通過增大壓力，擴壓器還有助于提高燃燒室的性能，使飛機更省油。

沖壓式噴氣發動機應用于多種超音速飛機，比如上圖中的 SR-71“黑鳥”。

優化后的擴壓器有助于制造更好的超音速飛機發動機，但是設計這種部件可以說是一項挑戰，因為它涉及不穩定的波動、高速、激波和流動分離。為了考慮這些因素并優化跨音速擴壓器設計，工程技術人員可以使用 COMSOL 軟件和附加的 CFD 模塊，正如本基準示例中討論的一樣。

用 CFD 模塊模擬跨音速擴壓器

本例中使用的擴壓器，幾何結構來自 M. Sajben 及其團隊在基準實驗和仿真中所用的模型。在該模型中，流體（即空氣）穿過一個縮放式擴壓器。請注意，這個跨音速擴壓器中，湍流開始時為亞音速。隨著流體穿過擴壓器，在管頸加速到音速狀態，并在擴散部分（幾何結構開始展開的位置）達到超音速狀態。

Sajben 擴壓器模型的幾何結構。

當流動達到超音速后，激波會立即使它回到亞音速。激波可以導致流動分離（“強”激波）或保持未分離狀態（“弱”激波）。該模型對這兩種情況進行了分析。

弱激波的出口壓力設為 16.05 psi，強激波的出口壓力設為 14.10 psi。這些壓力低到足以使流動變為音速，但又不至于在整個擴壓器中保持超音速。在入口處，你可以計算出流動特性，并將數值應用在一致的邊界條件上。溫度和壓力等入口條件則基于它們的整體屬性（分別為 500 R 和 19.58 psi）來定義的。

為了有效描述擴壓器中的氣流，該模型使用高馬赫數流動接口，這對于模擬超音速氣流尤為實用。本模型使用通道高度和入口屬性來計算空氣湍流，并使用 Spalart-Allmaras 湍流模型計算其粘度。

仿真結果與實驗數據的比較

仿真結果顯示不同出口壓力下空氣穿過擴壓器時的速度。在這兩種情況下，結果均符合預期：空氣加速到超音速，激波減緩了流動，其中強激波導致流動分離。

跨音速擴壓器中弱激波（上）和強激波（下）情況下的流速。

頂壁上的靜壓基于入口壓力進行歸一化處理。對于兩種出口壓力，結果大體上都與實驗數據一致，不過兩次仿真中的激波都出現在比實驗中稍微靠近下游的位置。

兩種出口壓力下，模型（線）與實驗（菱形）數據的靜壓比較圖。

下圖中繪制了強激波情況下擴壓器中兩個不同位置的流向速度分布圖。通過檢查第一個位置可以看出，流動分離的起始位置與實驗中的情況大致相同，速度也相似。對于第二個位置，中心空氣速度仍然與實驗高度吻合，但模型中的反向流動表明分離區略微向下游延伸。

擴壓器中兩個位置的速度分布圖，其中將模型結果（線）與實驗數據（菱形）進行比較。

總的來說，仿真結果與實驗結果相當一致，這表明 CFD 模塊可以精確地求解高速湍流，包括超音速流動和激波。利用這一功能，工程技術人員可以優化跨音速擴壓器的設計，并增強超音速飛機的推進系統。