后掠机翼的横流不稳定性分析及转捩预测

后掠机翼边界层的流动稳定性及转捩对翼型的设计及优化有着重要的参考价值,而横流失稳是引起后掠机翼边界层转捩的关键因素之一.以NLF（2）-0415翼型为研究对象,采用三维可压缩Navier-Stokes方程并结合γ-Re_θt转捩模式计算了展向无限长后掠机翼的基本流场.由于原始γ-Re_θt模式只能预测流向边界层转捩,因此在原始转捩模式中添加横流间歇因子项,进而对复杂构型进行横流不稳定性转捩预测.计算结果显示,利用改进后γ-Re_θt转捩模式预测得到的后掠翼型的转捩位置与实验数据吻合较好,证明了修正的转换模式的合理性和实用性.      

高超声速椭圆锥边界层横流转捩特性大涡模拟

横流效应显著影响高超声速飞行器的三维边界层转捩过程, 深化对该流动机制的认识有助于提升和改善飞行器气动性能及热力学环境. 针对HIFiRE5椭圆锥绕流问题, 采用大涡模拟方法计算分析了超声速边界层横流转捩特性, 并揭示其中的流动机理. 参考HIFiRE5风洞模型试验条件, 数值模拟中椭圆锥来流入口处施加人工速度扰动以激发边界层内不稳定扰动波, 进而预测了高超声速边界层流动横流失稳、转捩过程等基本流动特征, 并基于转捩热流分布形态对比, 获得了与试验数据基本吻合的计算结果. 研究发现, 椭圆锥中心线流动汇聚形成的流向涡结构非常容易失稳, 另外在中心线及侧缘之间的中部区域存在较强的横流不稳定性, 两种机制共同作用影响边界层转捩过程. 此外, 分析了来流扰动幅值对边界层横流失稳转捩的影响, 并发现静来流条件下, 横流区域出现两组独立的定常横流涡结构, 而强噪声来流条件下, 中心线主涡和中部横流涡均发生失稳转捩, 且在椭圆锥表面形成多峰状的转捩阵面. 最后, 深入分析流场的压力脉动动力学特性, 揭示了三维边界层发生失稳转捩的非线性演化机制.      

基于线性抛物化稳定性方程的后掠翼边界层内横流稳定性研究

采用有限差分法求解考虑模型曲率的线性抛物化稳定性方程(LPSE),分析无限展长后掠翼边界层内的横流驻波不稳定,并与实验结果进行对比,研究LPSE方法的模拟效果及其适用范围.研究表明,在横流驻波扰动增长的初期,LPSE能够准确的预测扰动的e^N曲线,较好地描述边界层内的流动结构和扰动形态;当扰动增长到足够大时,扰动的高阶项不能再被忽略,LPSE的线性假设不再成立,需要采用非线性的方法(NPSE)来分析该状态.计算分析发现,模型曲率和边界层非平行性对后掠翼边界层内横流驻波的稳定性分析影响很大,影响程度与雷诺数无关.对于本文研究的模型,曲率对边界层内的横流扰动起着稳定的作用,而非平行性对扰动起不稳定的影响.     

基于Spalart-Allmaras-γ-\begin{document} ${\overline {Re} _{\theta {\rm{t}}}}$ \end{document}转捩模型的横流不稳定性转捩预测方法

传统的应用稳定性理论对横流不稳定性转捩现象的预测很难与现代CFD并行化计算结合, 为了解决这个问题, 文章基于SA-γ-${\overline {Re} _{\theta {\rm{t}}}}$转捩模型, 使用不可压三维边界层相似性解实现横流位移损失厚度Reynolds数在流场中的当地化求解, 结合亚音速试验数据-C1准则构建横流不稳定性转捩判据, 从而实现了横流不稳定性转捩预测方法的当地化并行求解.首先采用SA-γ-${\overline {Re} _{\theta {\rm{t}}}}$转捩模型对NLF(1)-0416翼型进行了流向转捩预测, 证实了该模型的正确性.然后应用所建立的横流转捩模型对45°前缘后掠角的NLF(2)-0415无限展长机翼和DLR-F5机翼, 以及标准6:1椭球标模进行了横流不稳定转捩数值模拟, 计算结果显示转捩位置均与试验数据吻合较好, 证明了文章所建立的方法在不可压边界层转捩预测具有较高的预测精度.      

压缩拐角激波/湍流边界层干扰特性分析

用大涡模拟方法对Mach数3.0下的压缩拐角激波/湍流边界层干扰问题进行数值研究.对拐角上游平板区域边界层转捩及湍流进行模拟,设定平板区域长度,使得转捩过程于平板区域发生并充分完成,从而在拐角处产生激波/湍流边界层相互干扰,研究激波/湍流边界层的作用机理.研究表明:流场能够在非定常扰动激励下迅速转捩,并于平板区发展为完全湍流;湍流边界层与激波相互作用过程中,拐角附近分离区较层流情况明显减小;展向不同区域分离区大小差异较大,局部区域分离现象消失.     

激光云高仪对那曲地区大气边界层高度的探测分析

2014年7月至8月在第三次青藏高原大气科学试验的支持下,分析了夏季那曲地区大气边界层高度日变化特征.采用激光云高仪通过后向散射信号梯度法求得大气边界层高度,将云顶高度判定为边界层高度时,那曲地区对流边界层高度最高可达3800m,在夜间稳定边界层情况下,最低只有40m.采用无线电探空仪数据,利用位温梯度法、相对湿度梯度法求得大气边界层高度.利用云高仪与探空仪同步实验40天得到的有效数据,对后向散射信号梯度法与位温梯度法得到的大气边界层高度的相关性进行分析,相关系数达0.78,标准偏差为738.84m.对8组较为异常量据的再分析发现云高仪在晴空探测大气时信噪比存在一定的不足.对比早、晚测量结果可知,那曲地区大气边界层高度日变化大,是由于该地区地处内陆海拔较高,夏季日照辐射相对平原地区较强,对流和气温强烈的日变化引起大气层结日变化较大.     

Analysis of the turbulent boundary layer in the vicinity of a self-excited cylindrical Helmholtz resonator

This study investigates the changes in the structure of a turbulent boundary layer downstream of a flow-excited Helmholtz resonator. To this end, a fully developed turbulent boundary layer over a resonator mounted flush with a flat plate was simulated by implementing a large eddy simulation (LES). To assist in understanding the effect of the resonator on the flow structure, a sensitivity study was undertaken by changing the main geometrical parameters of the resonator. The results demonstrated that when the boundary layer thickness equals the orifice length, the cross-stream component of velocity fluctuations penetrates the boundary layer, resulting in a reduction of the turbulence intensity by up to 12%. Therefore, it is concluded that a Helmholtz resonator has the potential to reduce the instabilities within the boundary layer. These investigations also assist in identifying the optimal parameters to delay turbulence events within the grazing flow using Helmholtz resonators.