二维平板可压缩边界层的二次稳定性分析

本文在二维可压缩边界层中应用Floquet分析,建立了控制次谐波稳定性的方程组,研究在二维可压缩边界层转捩过程中二维有限振幅的T-S波对三维线性小扰动的作用,并计算了来流马赫数对次谐波的产生和发展情况的影响,从中可以看出二维和三维扰动波相互作用对二维可压缩流动边界层的发展过程所产生的影响.     

二维超音速边界层中三波共振和二次失稳机制的数值模拟研究

通过直接数值模拟的方法,探讨在超音速边界层的转捩问题中,是否存在和不可压缩流情况相似的产生亚谐波的机制．结果表明,三波共振和二次失稳这两种机制都存在．讨论了这两种机制在层流至湍流的转捩中的重要性是否的确很大的问题．     

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．     

零攻角小钝头钝锥高超音速绕流边界层的稳定性分析和转捩预报

研究了零攻角小钝头圆锥高超音速边界层的稳定性及转捩预测问题．小钝头的球头半径为0.5 mm,锥的半锥角为5°,来流马赫数为6．采用直接数值模拟方法得到了钝锥的基本流场,利用线性稳定性理论分析了等温壁面和绝热壁面条件下的第一、第二模态不稳定波,并用“e-N”方法对转捩位置进行了预测．在没有实验给出N值的情况下,暂取N为10．研究发现,壁面温度条件对于转捩位置有较大影响．绝热边界层的转捩位置比等温边界层的靠后．且尽管高马赫数下第二模态波的最大增长率远大于第一模态波的最大增长率,但绝热边界层的转捩位置是由第一模态不稳定波决定的．研究方法应能推广到有攻角的三维边界层流动的转捩预测．     

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.     

自由流中涡扰动的边界层感受性的数值研究

用直接数值模拟的方法研究平板二维边界层对自由流中涡扰动的感受性．在自由流涡扰动与壁面凸起物的相互作用下，在边界层内找到了激发出来的Tollmein-Schlichting(T-S)波，证实了感受性现象及其中波长转变机制的存在．数值模拟得到的T-S波幅值与自由流扰动幅值、凸起高度及矩形凸起物长度的关系，与实验测量所得一致．则由此确定的感受性线性关系式的适用范围亦与实验所得相符．     

二维超音速混合层中小激波的存在及其对流场结构的影响

在二维超音速混合层入口处引入T-S波及其亚谐波,对扰动的空间演化进行了数值模拟.研究了由扰动引发的小激波(shocklet)的强度与入口处扰动幅值的关系.分析了激波前后扰动速度剖面的变化,发现小激波的存在对扰动速度剖面有显著影响,而高速层和低速层中激波对扰动速度作用不同.     

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．     

二元气体混合层的稳定性分析

针对氧气和氮气构成的两组分气体混合层流动,采用线性稳定性理论分析了流动的线性失稳特性.两组分气体混合层的基本流剖面由相似性解给出.首先研究了对流Mach(马赫)数对相似性解剖面的影响;然后重点考察了对流Mach数、二维和三维扰动对稳定性的影响.线性稳定性理论的结果表明,第一模态最不稳定波的最大增长率始终大于第二模态波.随着对流Mach数的增加,混合层中的第一模态和第二模态的最大增长率都受到抑制.     

二维超音速混合层增强混合的研究

数值模拟了二维超音速混合层在入口处引入T-S波和在低速部分加入沿流向的振荡这两种不同的激励方式后流动的演化.结果表明，对于对流Mach数小于１的超音速混合层，两种方法均可增强混合，而加入振荡比引入T-S波更为有效.对加入振荡方式，还系统计算分析了各种参数对混合的影响.     

Existence of shocklets in a two-dimensional supersonic mixing layer and its influence on the flow structure

The spatial evolution of a T-S wave and its subharmonic wave, introduced at the inlet in a 2-D supersonic mixing layer, was investigated by using DNS. The relationship between the amplitude of the disturbance wave and the strength of the shocklet caused by the disturbance was investigated. We analyzed the shape of the disturbance velocity profile on both sides of the shocklet, and found that the existence of shocklet affected appreciably the disturbance velocity. The effects on the high speed side and low speed side of the mixing layer were found to be different     

自由剪切流大尺度结构的二次稳定性*

本文用二次稳定性理论研究自由剪切湍流中周期性基本流空间增长扰动的稳定性。数值结果表明三维亚谐扰动对横向波数有很强的选择性,二维亚谐波的空间增长率最大。与之相反,基本模式的三维扰动在很大的波数范围内存在不稳定性,证明β=0时存在“转移”不稳定性;当KH波的幅值A≥0.06时出现分叉现象。     

超音速平板边界层转捩中层流突变为湍流的机理研究

采用空间模式,对来流Mach数为4.5的平板边界层转捩过程做了直接数值模拟．对结果进行的分析发现,在层流-湍流转捩的突变(breakdown)过程中,层流剖面得以快速转变为湍流剖面的机理在于平均剖面的修正导致了其稳定性特征的显著变化．虽然在层流下第2模态T-S波更不稳定,但在层流突变为湍流的过程中,第1模态不稳定波也起了重要作用．     

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．     

On the Generation of Mean Flows by the Interaction of Görtler Vortices and Tollmien-Schlichting Waves in Curved Channel Flows

There are many fluid flows where the onset of transition can be caused by different instability mechanisms which compete in the nonlinear regime. Here the interaction of a centrifugal instability mechanism with the viscous mechanism which causes Tollmien-Schlichting waves is discussed. The interaction between these modes can be strong enough to drive the mean state; here the interaction is investigated in the context of curved channel flows so as to avoid difficulties associated with boundary layer growth. Essentially it is found that the mean state adjusts itself so that any modes present are neutrally stable even at finite amplitude. In the first instance the mean state driven by a vortex of short wavelength in the absence of a Tollmien-Schlichting wave is considered. It is shown that for a given channel curvature and vortex wavelength there is an upper limit to the mass flow rate which the channel can support as the pressure gradient is increased. When Tollmien-Schlichting waves are present then the nonlinear differential equation to determine the mean state is modified. At sufficiently high Tollmien-Schlichting amplitudes it is found that the vortex flows are destroyed, but there is a range of amplitudes where a fully nonlinear mixed vortex-wave state exists and indeed drives a mean state having little similarity with the flow which occurs without the instability modes. The vortex and Tollmien-Schlichting wave structure in the nonlinear regime has viscous wall layers and internal shear layers; the thickness of the internal layers is found to be a function of the Tollmien-Schlichting wave amplitude.     

Spatial eigenmodes of a boundary layer with a triple-deck velocity field

The beforehand unclear relation between the viscous-inviscid interaction and the instability of viscous gas flows is illustrated using three-dimensional boundary-layer perturbations in the case of sub- and supersonic outer flows. The assumptions are considered under which asymptotic boundary layer equations with self-induced pressure are derived and the excitation mechanisms of eigenmodes (i.e., Tollmien-Schlichting waves) are described. The resulting dispersion relations are analyzed. The boundary layer in a supersonic flow is found to be stable with respect to two-dimensional perturbations, whereas, in the three-dimensional case, the modes become unstable. The increment of growth is investigated as a function of the Mach number and the orientation of the front of a three-dimensional Tollmien-Schlichting wave.     

管道内激波的不稳定性

本文将无限大激波阵面的激波不稳定性理论[1]推广到矩形截面管道内的激波不稳定性问题.首先,给出这个问题的数学提法,包括扰动方程与三类边界条件.其次,给出扰动方程的普遍解.上游和下游的普遍解分别含有5个待定常数.再次,在一类边界条件和一个假定下,证明了激波前扰动为0,激波后两个声扰动之一为0.边界条件是,X→±∞处扰动物理量为0.假定只讨论激波不稳定性问题,从而可先设ω=iγ,γ是不稳定性增长率,为正实数.另一类边界条件是管壁上法向速度扰动为0,它使波数只能取一组离散值.最后,用扰动激波上的5个守恒方程这一边界条件来决定激波后4个待定常数和扰动激波振幅这个未知量时,导出了色散关系.结果表明,正实数γ确是存在.不稳定激波有两种模式,一种模式为γ=-W·k(W<0)它代表激波的绝对不稳定性,是新得到的模式.另一种模式与过去工作中给出的[2,3]大体相同.本文则进一步给出了这种模式的激波不稳定性增长率,并指出j2((?V/?P)_H=1+2M为最不稳定点(即无量纲化的不稳定性增长率Г=∞).如果不假定ω是纯虚数,而是复数,其虚部为正实数Im(ω)≥0.本文也严格证明了其不稳定性判据仍有两种模式,ω仍为纯虚数.