Academic Report on Original Research: Investigation of Fluid-Structure Interaction over a Compliant Panel under Different Mach Numbers

第一部分：研究作者、所属机构及发表信息

该研究的作者包括 Akriti Tripathi、Jonas Gustavsson 和 Rajan Kumar，分别隶属于 FAMU-FSU College of Engineering 和 Florida State University 的 Florida Center for Advanced Aero-propulsion (FCAAP)。论文发表于 AIAA SciTech 2024 Forum，最早通过 American Institute of Aeronautics and Astronautics 发布。

第二部分：研究背景

本文主要涉及流体-结构耦合 (Fluid-Structure Interaction, FSI) 研究领域，特别是超音速和高超音速飞行器开发中涉及的激波边界层相互作用 (Shock Wave-Boundary Layer Interaction, SBLI) 的动态效应。随着飞行器运行速度的提升，气动载荷与热环境日益复杂，尤其是当使用薄板代替传统刚性板作为结构材料时，其本身易受外部扰动进而发生大的振幅振动甚至疲劳失效。

实现对各类复杂变量耦合的综合评估是当前相关研究的一大挑战。此外，针对不同马赫数 (Mach number) 下的 FSI 特性研究仍然存在不足。为弥补这一空缺，本文旨在研究在 Mach 2 和 Mach 5 条件下，柔性面板与激波干扰之间的相互作用，从而拓宽对 FSI 基本流动物理的理解并为高超音速飞行器设计提供实验数据支持。

第三部分：研究流程

1. 风洞实验准备与流动条件 实验在佛罗里达州高等航空推进中心的 Polysonic Wind Tunnel (PSWT) 进行，其能够生成从亚声速到高超音速的流场。实验选用固定流量喷嘴模块，测试横截面为 0.3 m × 0.3 m，气流源来自最大压力可达 3.45 MPa 的储气罐，允许最长 90 秒的风洞运行时间。在实验中，通过调整滞止压力实现了大范围雷诺数(Reynolds number)的变化。选取自由流马赫数 Mach 2 和 Mach 5，滞止压力分别为 345 kPa 和 1725 kPa，对应单位雷诺数分别为 4.35×10⁷/m 和 0.93×10⁷/m。

2. 面板设计与测试设置 研究对象为柔性面板，由铝合金 7075-T6 制成，尺寸为 0.2 m × 0.12 m × 0.012 m，通过底面浅铣削工艺形成厚度为 0.5 mm 的柔性区。利用15°斜角支架激波发生器在中央位置产生激波，分别与马赫数 2 和马赫数 5 条件下的湍流边界层进行相互作用。实验中，利用文氏抽气泵控制面板下腔体的压力。

3. 实验测量技术

   • 高速阴影摄影 (Shadowgraph Visualization)：采用分辨率为 1280×800 的高速相机以 15000 fps 记录流场图像，捕获面板流动区域的平均和瞬态特征。
   • 表面油流可视化 (Surface Oil Flow Visualization)：通过混合荧光染料和矿物油在模型表面生成流场的剪切线和停滞线，辅助分析分离区范围和交互的三维性。
   • 激光测振仪 (Laser Vibrometry)：通过扫描式和固定式激光测振仪记录面板振动频率。扫描仪定义网格上的采样点，采用采样率 125kHz，分别覆盖 Mach 2 下 533 个点和 Mach 5 下 175 个点。

第四部分：实验结果详述

1. 静态面板形变 在无激波 (No-shock) 工况下，面板在腔体压力影响下呈现“向流入面凸起”的形变。当激波在面板中央轰击时，马赫数的变化影响形变。对 Mach 2 来说，上游面板提高形变，而下游面板的形变则受激波上下游压力差变化的影响。与之相对，Mach 5 条件下的形变因压力下降导致面板整体趋向“向流场微微凹陷”的形态。

2. 流场可视化与分离泡特性

   • 阴影摄影结果：流场分离泡在 Mach 2 条件下尺度更大，反射激波效应更明显，而在 Mach 5 下，分离泡长度和高度显著缩小，表明高马赫数流体更耐分离。
   • 表面油流可视化：结果表明柔性面板的两维交互特性显现显著的三维曲率，而刚性面板的分离区表现更规整。同样，马赫数升高导致可分离区域的尺寸缩小。

3. 面板振动频率 振动频 spectra 显示，受激波作用，柔性面板振动力学呈现多模态响应 (Bi-modal and Tri-modal)，其频率较无激波工况下有所下降。Mach 2 流场中，面板的主要模式呈现偏移，震动幅值上升两个数量级；而在 Mach 5 条件下，面板震动幅值小，震动频率相较马赫 2 条件下有更高幅值。

4. 结构动力学模式 模态形状分析表明，激波冲击在 Mach 2 下导致模态偏移至面板下游，但这种偏移在 Mach 5 条件下有所减少，因为两种条件下压力差异更小。

第五部分：结论意义

实验探讨了不同马赫数下的流体-结构耦合特性，首次定量比较了柔性面板与激波边界层的交互过程。研究显示： - 较高马赫数下，流动不稳定性降低，分离泡缩短； - 面板振动对马赫数敏感，较高 Mach 数引起频率向高值平移并降低振动能量； - 激波作用加强了结构动态效应，但高马赫数下局部刚度影响更明显。

这些发现对高超音速飞行器设计提供更深层次的动态负载评估数据，同时也为 SBLI 研究提出改进建议。

第六部分：研究亮点

• 实验首次系统性研究不同马赫数下柔性面板与激波相互作用的流体-结构耦合特性；
• 使用创新的实验设计，包括柔性面板优化和多模式测振技术；
• 定量揭示了马赫数对震动模态、流场分布和热弹性属性的影响。

第七部分：其他值得关注的内容

未来研究将进一步关注热梯度对面板动态响应的影响，并对更高马赫数进行延展性实验。这些计划将更深入理解超高马赫数下复杂 FSI 驱动的结构耦合现象。