边界层流中当地感受性过程的数值研究

边界层流中当地感受性问题的研究对层流向湍流转捩过程的预测与控制起着非常关键的作用,尤其是对边界层内诱导产生三维Tollmien-Schlichting(T-S)波成因过程的探讨具有更加重要的理论意义.采用高精度、高分辨率变间距的紧致有限差分方法,直接数值模拟了在自由来流湍流与二维壁面局部粗糙相互作用下边界层内的当地感受性问题.数值计算发现,在自由来流湍流与二维壁面局部粗糙作用下,边界层内诱导形成的当地感受性过程是真实存在的;且被激发的一组三维T-S波波包沿流向发展的过程中流向涡结构将逐渐形成,其强度将越演越烈.数值结果还显示,边界层内被诱导产生当地感受性过程的波长转换机制仅使流向波数发生改变,而展向波数保持不变;以及自由来流湍流运动方向的改变将决定三维T-S波波包的传播方向,但其传播速度的大小都近似为无穷远来流速度的1/3.另外,还建立了自由来流湍流的强度和运动方向以及二维壁面局部粗糙的长度和高度与边界层内的当地感受性问题之间的关系等.这一课题的深入研究,将在进一步理解和认识层流向湍流转捩的理论机制,以及湍流的形成机理等方面均起到十分重要的作用.     

高超音速零攻角尖锥边界层转捩的机理

先计算出高超音速零攻角尖锥边界层的定常层流流场．然后在计算域的入口引入两组有限幅值的T-S波扰动,对空间模式的转捩过程进行了直接数值模拟．分析了转捩过程的机理,发现平均流剖面稳定性的变化是其关键．并进一步讨论了不同模态初始扰动在高超音速尖锥边界层中的演化规律．     

超音速边界层中二维扰动的演化及小激波的产生

通过直接数值模拟的方法,对二维超音速边界层中扰动的演化进行了研究．以某一剖面作为入口,加入T-S波,研究小扰动波逐渐增长的演化过程．发现了扰动非线性演化的特征．探讨了二种判断激波存在的方法,证实了超音速边界层中当扰动达到一定的幅值时会有小激波出现．为建立可压缩流稳定性非线性理论提供一定的依据．     

自由来流湍流与三维壁面局部粗糙诱导平板边界层不稳定T-S波的数值研究

采用直接数值模拟（DNS）方法,研究了在自由来流湍流与三维壁面局部粗糙作用下平板边界层内诱导产生不稳定T-S波的物理问题.数值结果可知,在平板边界层内发现了二维和三维T-S波组成的波包空间序列以及求得了波包向前传播的群速度大小,从而证明了自由来流湍流与三维壁面局部粗糙作用是激励平板边界层内诱导产生不稳定T-S波的一种机制.随后,建立了平板边界层内被激发的二维和三维T S波的初始幅值与自由来流湍流度,三维壁面局部粗糙的流向长度、展向宽度及法向高度之间的关系.这一问题的深入研究,进一步完善了流动稳定性与湍流理论.     

超音速尖锥边界层中扰动演化特征的数值研究

采用高精度紧致格式, 对超音速尖锥边界层中二维扰动的空间演化, 进行了直接数值模拟．结果表明,虽然尖锥边界层流动存在一定的锥面法向速度,但小扰动的幅值及相位的演化都与由平行流假设得到的线性理论结果吻合．还研究了有限幅值扰动的演化,给出了其演化规律．并在扰动幅值增长到一定值时,发现了小激波．     

湍流相干结构机理研究（Ⅲ）——湍流拟序结构的统计及动力模型及 …

在文献「１」、「２」的启发下，本文建立一个零压梯度下，考虑局部产生以及外来扰动涡旋的壁湍流边界层大涡拟序结构的统计及动力学模型，在此基础上对充分发展的宽明渠流动中壁面附近的热扩散进行了数值模拟，建立了边界层拟序脉动速度和温度的数据库，发现了与速度快慢条相对应的高低温流条及其随时间的展向的摆动，数值模拟结果与前人的计算和实验结果吻合很好。     

抛物化稳定性方程在可压缩边界层中应用的检验

用抛物化稳定性方程（PSE）,研究了可压缩边界层中扰动的演化,并与由直接数值模拟（DNS）所得进行比较．目的在检验PSE方法用于研究可压缩边界层中扰动演化的可靠性．结果显示,无论是亚音速还是超音速边界层,由PSE方法和由DNS方法所得结果都基本一致,而温度比速度吻合得更好．对超音速边界层,还计算了小扰动的中性曲线．与线性稳定性理论（LST）的结果相比,二者的关系和不可压边界层的情况相似．     

后掠翼边界层定常横流涡的非线性演化

横流失稳是后掠翼边界层主要的失稳形式.实验和数值研究发现在后掠翼边界层转捩之前,有一段较长的非线性幅值饱和阶段,因此线性稳定性不能有效预测横流失稳转捩过程,所以研究横流涡的非线性演化过程就极为必要.以NLF(2)-0415翼型为研究模型,在来流Mach数为0.8、后掠角为45°、攻角为-4°的条件下,用扰动方程计算了定常横流涡非线性演化过程.结果显示非平行性起着更加不稳定的作用.当基本波的幅值到达0.1时,非线性作用开始明显.横流涡经历了非线性幅值饱和过程,涡的形状呈现半蘑菇状,涡的涡轴与边界层外缘无粘势流平行.饱和涡使得原有流场发生极大的扭曲,流向速度和展向剖面出现了拐点.     

湍流相干结构机理研究(Ⅲ)——湍流拟序结构的统计及动力模型及其对传热影响研究

在文献[1]、[2]的启发下,本文建立一个零压梯度下,考虑局部产生以及外来扰动涡旋的壁湍流边界层大涡拟序结构的统计及动力学模型.在此基础上对充分发展的宽明渠流动中壁面附近的热扩散进行了数值模拟,建立了边界层拟序脉动速度和温度的数据库,发现了与速度快慢条相对应的高低温流条及其随时间在展向的摆动.数值模拟结果与前人的计算和实验结果吻合很好.     

PSE在超音速边界层二次失稳问题中的应用

用抛物化稳定性方程（PSE）研究超音速边界层中的二次失稳问题．结果显示无论二维基本扰动是第一模态还是第二模态的T-S波,二次失稳机制都起作用．三维亚谐波的放大率随其展向波数和二维基本波幅值的变化关系与不可压缩边界层中所得类似．但是,即使二维波的幅值大到2％的量级,三维亚谐波的最大放大率仍远小于最不稳定的第二模态二维T-S波的放大率．因此,二次失稳应该不是导致超音速边界层转捩的主要因素．     

Stability of the flow around a cylinder: The spin-up problem

In this paper the evolution of vortical disturbances withina boundary layer occurring at a circular cylinder is discussed.As the body starts to spin around its generator a temporallygrowing layer results and the underlying centrifugal natureof this system allows Taylor-Görtler vortices to develop.The initiation of these modes is caused by axially symmetricwall imperfections, and so this constitutes a receptivity problem.For vortices of order one wavenumber a vortex wedge is formedand the final structure of this mode is determined by a right-handbranch calculation. The inviscid limit of the calculation isalso discussed and this may well be relevant to modes with orderone wavenumber introduced after the layer has partially evolved.     

有限振幅T-S波在非平行边界层中的非线性演化研究

研究对非平行边界层稳定性有重要影响的非线性演化问题,导出与其相应的抛物化稳定性方程组,发展了求解有限振幅T-S波的非线性演化的高效数值方法。这一数值方法包括预估-校正迭代求解各模态非线性方程并避免模态间的耦合,采用高阶紧致差分格式,满足正规化条件,确定不同模态非线性项表和数值稳定地作空间推进。通过给出T-S波不同的初始幅值,研究其非线性演化。算例与全Navier-Stokes方程的直接数值模拟(DNS)的结果作了比较。     

小攻角高超声速钝锥边界层中不同扰动对转捩的影响

为了研究上游不同扰动对转捩位置的影响,针对来流Ma=6,攻角1°,半锥角5°的钝锥边界层的转捩进行了数值模拟．首先研究了边界层中小扰动的演化,与流动稳定性理论进行了对比,结果表明:在所考虑的流场中,流动稳定性线性理论可以对扰动的增长率做出一个较好的预测．在此基础上,研究了不同扰动对转捩位置的影响．计算给出了在两种不同频率分布的扰动情况下,转捩位置沿周向的分布．结果表明,转捩位置沿周向分布与入口扰动的幅值和频率有关．某子午面的转捩位置由该处的最不稳定波在入口的幅值决定．根据大多数风洞中背景扰动的特性,解释了小攻角圆锥转捩实验中背风面先转捩,迎风面后转捩的现象．同时,还解释了在背风面附近转捩位置“凹陷”的现象．     

Influence of Finite Amplitude Disturbances on the Nonstationary Modes of a Compressible Boundary Layer Flow

A weakly nonlinear stability analysis is performed to search for the effects of compressibility on a mode of instability of the three-dimensional boundary layer flow due to a rotating disk. The motivation is to extend the stationary work of [ 1 ] (hereafter referred to as S90) to incorporate into the nonstationary mode so that it will be investigated whether the finite amplitude destabilization of the boundary layer is owing to this mode or the mode of S90. Therefore, the basic compressible flow obtained in the large Reynolds number limit is perturbed by disturbances that are nonlinear and also time dependent. In this connection, the effects of nonlinearity are explored allowing the finite amplitude growth of a disturbance close to the neutral location and thus, a finite amplitude equation governing the evolution of the nonlinear lower branch modes is obtained. The coefficients of this evolution equation clearly demonstrate that the nonlinearity is destabilizing for all the modes, the effect of which is higher for the nonstationary waves as compared to the stationary waves. Some modes particularly having positive frequency, regardless of the adiabatic or wall heating/cooling conditions, are always found to be unstable, which are apparently more important than those stationary modes determined in S90. The solution of the asymptotic amplitude equation reveals that compressibility as the local Mach number increases, has the influence of stabilization by requiring smaller initial amplitude of the disturbance for the laminar rotating disk boundary layer flow to become unstable. Apart from the already unstable positive frequency waves, perturbations with positive frequency are always seen to compete to lead the solution to unstable state before the negative frequency waves do. Also, cooling the surface of the disk will be apparently ineffective to suppress the instability mechanisms operating in this boundary layer flow.     

Effect of surface elasticity on the transformation of acoustic disturbances into Tollmien-Schlichting waves in a boundary layer at transonic free-stream velocities

Within the framework of the triple deck theory, the effect of an elastic surface on the characteristics of a wave packet generated by acoustic disturbances in a boundary layer at transonic free-stream velocities is investigated.