Study on the trade-off mechanism between flow field uniformity and turbulent pressure pulsations in back-pressure matching for supersonic wind tunnels

Liu, Peng (avtor), Cai, Jinglun (avtor), Jin, Hui (avtor), Yin, Yibing (avtor), Kang, Ludi (avtor), Chen, Xian (avtor)

Supersonic wind tunnel testing is critical for aircraft aerodynamic configuration validation, where test chamber flow uniformity and turbulent pressure pulsations are core determinants of test data reliability. Existing back-pressure matching studies only optimize flow uniformity as a single objective, ignoring its coupling effect on pressure pulsations. This study proposes a rapid Reynolds-averaged Navier–Stokes (RANS)-based back-pressure matching method with the shear stress transport (SST) k−ω model to determine the optimal back-pressure Pm (ideal expansion at <5 % jet centerline Mach number deviation). Multiscale Large Eddy Simulations (LES) show ideal expansion extends the uniform core by 23 % with 3.4 % velocity pulsation standard deviation, while back-pressure mismatch causes up to 18 % total pressure loss via periodic shocks. Critically, ideal expansion yields the strongest pressure pulsations as unimpeded shear layer turbulence develops fully, uncovering a key trade-off: shock-based turbulence suppression reduces pulsations but sacrifices 7 % to 15 % flow uniformity. This work fills the research gap of coupled uniformity-pulsation analysis and proposes scenario-specific back-pressure strategies for supersonic wind tunnel tests.

• Jezik: Angleški jezik
• Ključne besede: supersonic wind tunnel, backpressure matching, flow field uniformity, pressure pulsation, shear layer
• Vrsta gradiva: Članek v reviji
• Tipologija: 1.01 - Izvirni znanstveni članek
• Organizacija: FS - Fakulteta za strojništvo
• Status publikacije: Objavljeno
• Različica publikacije: Objavljena publikacija
• Leto izida: 2026
• Št. strani: Str. 131-143
• Številčenje: Vol. 72, no. 5/6
• PID: 20.500.12556/RUL-184715
• UDK: 533.6.07
• ISSN pri članku: 0039-2480
• DOI: 10.5545/sv-jme.2026.1618
• COBISS.SI-ID: 284249347
• Datum objave v RUL: 14.07.2026

Gradivo je del revije

• Naslov: Strojniški vestnik
• Skrajšan naslov: Stroj. vestn.
• Založnik: Zveza strojnih inženirjev in tehnikov Slovenije [etc.] = Association of Mechanical Engineers and Technicians of Slovenia [etc.
• ISSN: 0039-2480
• COBISS.SI-ID: 762116

Licence

• Licenca: CC BY 4.0, Creative Commons Priznanje avtorstva 4.0 Mednarodna
• Povezava: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/deed.sl
• Opis: To je standardna licenca Creative Commons, ki daje uporabnikom največ možnosti za nadaljnjo uporabo dela, pri čemer morajo navesti avtorja.

Sekundarni jezik

• Jezik: Slovenski jezik
• Naslov: Raziskava mehanizma kompromisa med enakomernostjo pretočnega polja in turbulentnimi tlačnimi pulzacijami pri usklajevanju protitlaka v nadzvočnih vetrovnikih

Izvleček

Preizkušanje v nadzvočnih vetrovnikih je ključno za validacijo aerodinamičnih konfiguracij letal, pri čemer sta enakomernost pretočnega polja in turbulentne tlačne pulzacije v preizkusni komori temeljna dejavnika zanesljivosti merilnih podatkov. Obstoječe raziskave usklajevanja protitlaka optimizirajo zgolj enakomernost pretoka kot samostojen cilj, pri tem pa zanemarjajo njen sklopljeni vpliv na tlačne pulzacije. V tej raziskavi je predstavljena hitra metoda usklajevanja protitlaka na osnovi Reynoldsovih povprečenih Navier–Stokesovih enačb (RANS) s SST k−ω modelom za določitev optimalnega protitlaka Pm (idealna ekspanzija pri odstopanju Machovega števila vzdolž osi curka za manj kot 5 %). Večnivojska simulacija LES (Large Eddy Simulation) kaže, da idealna ekspanzija podaljša enakomerno jedro toka za 23 % pri standardnem odklonu hitrostnih pulzacij 3,4 %, medtem ko neusklajenost protitlaka povzroči do 18 % izgub celotnega tlaka zaradi periodičnih udarnih valov. Ključno je, da idealna ekspanzija povzroča najmočnejše tlačne pulzacije, saj se turbulenca strižne plasti razvije brez omejitev, kar razkriva pomemben kompromis: dušenje turbulence z udarnimi valovi zmanjša pulzacije, vendar na račun 7 % do 15 % slabše enakomernosti pretoka. Raziskava zapolnjuje vrzel na področju sklopljene analize enakomernosti pretoka in tlačnih pulzacij ter predlaga specifične strategije usklajevanja protitlaka za različne scenarije preizkusov v nadzvočnih vetrovnikih.

• Ključne besede: nadzvočni vetrovnik, usklajevanje protitlaka, enakomernost pretočnega polja, tlačne pulzacije, strižna plast