超音速/高超音速三维边界层的层流控制基金项目

根据可压缩黏性稳定性理论研究了壁面冷却和抽吸对超音速、高超音速三维边界层的层流控制作用.数值结果证明壁面冷却对第一模式起稳定作用,对第二模式有不稳定作用;壁面抽吸对第一、二模式都起稳定作用;直到Me＝7,导致绝热壁边界层转捩的始终是第一模式,Me≥6的冷却壁边界层则是第二模式对转捩起主导作用.壁面冷却能够推迟边界层转捩,但是和二维边界层相比壁面冷却对高速三维边界层的层流控制作用是很有限的.     

高速三维边界层的横流不稳定性

用两点四阶差分格式研究旋转圆锥超音速三维边界层的横流不稳定性和壁面冷却对稳定性的影响数值结果表明，与二维边界层相比横流使三维边界层第一模式增长率增大，对第二模式影响很小；Ｍｅ＜４３第一模式最不稳定，Ｍｅ＞４３第二模式最不稳定；三维边界层最不稳定第二模式是三维波，二维边界层则为二维波；壁面冷却对第一模式起稳定作用，对第二模式起不稳定作用     

壁面温度在多参数下对平板边界层的影响研究

为了得到壁面温度在不同来流速度、不同湍流强度条件下对边界层转捩与减阻的影响规律,本文采用Transitionk-kl-ω模型对低来流速度下无压力梯度的光滑平板进行了数值模拟。结果表明,随着来流速度的升高,壁温升高所起到的减阻效果更好,即高来流速度对壁面温度更为敏感。当来流处于中高湍流强度下时,壁温升高能起到推迟转捩的作用,且随着湍流强度的升高,转捩推迟的效果越好,但减阻效果正好相反;当来流处于低湍流强度下时,壁温升高会使得转捩提前发生。壁温升高抑制了边界层内流体的脉动程度,使得层流的稳态不易被破坏,流动更加稳定;同时,壁温升高使得边界层内流体的速度梯度减小,从而降低了壁面摩擦系数,故壁温升高能起到推迟边界层转捩与减阻的作用。     

抽吸和压力梯度在层流边界层转捩过程中的作用

用空间模式的二次稳定性理论研究了抽吸和压力梯度对边界层三维亚谐扰动流动稳定性的影响．数值结果表明，固体边界上的抽吸有明显的层流控制作用，逆压梯度则有较强的不稳定作用．     

抽吸和压力梯度在层流边界层转捩过程中的作用

用空间模式的二次稳定性理论研究了抽吸和压力梯度对边界层三维亚谐扰动流动稳定性的影响．数值结果表明，固体边界上的抽吸有明显的层流控制作用，逆压梯度则有较强的不稳定作用．     

k-ω-γ模式对转捩影响因素的预测性能研究

高超声速边界层转捩的准确预测对飞行器的防热、减阻至关重要,而影响高超声速边界层转捩的因素众多.从模式角度出发研究边界层转捩的影响因素,采用k-ω-γ 转捩模式对5°圆锥的边界层转捩进行了数值分析,计算了不同头部钝度、来流雷诺数和湍流度情况下的边界层转捩,并与实验结果进行了对比. 研究结果表明:k-ω-γ 转捩模式基本能够反映头部钝度、来流雷诺数、来流湍流度对高超声速圆锥边界层转捩的影响规律,但对转捩后的热流峰值预测不准;从模式构造角度分析发现,雷诺数越高或头部钝度越小,层流区边界层越薄,k-ω-γ 转捩模式中第一、第二模态时间尺度增大,因此转捩起始位置提前;来流湍流度越大,等效脉动动能初值越大,导致层流区发展过程中等效脉动动能越大,因此转捩易于发生.      

微槽-吸气组合控制平板边界层多模态稳定性研究

边界层转捩会使高超声速飞行器壁面摩阻和热流显著增加,因此在高超声速飞行器设计过程中往往占据重要地位.针对高超声速飞行器多模态转捩控制问题,提出了微槽道(1 mm)与边界层吸气的组合控制方法,并通过直接数值模拟和线性稳定性理论研究了Ma=4.5平板边界层的稳定性及组合控制效果.边界层在无控状态时,同时存在失稳的第一、二模态波,且二维第二模态波最不稳定;单纯施加微槽道控制时,边界层第二模态波会被抑制但第一模态波会被略微激发.对比而言,采用“微槽-吸气”组合控制后,不仅增强了对第二模态波的抑制效果,而且减弱了第一模态波的激发程度;同时随着吸气强度的增加,第二模态波不稳定区域明显收缩、频率显著增高,而第一模态波则变化不明显.相较于单纯的微槽道,吸气增强了“微槽吸收”与“声波散射”作用,因此中等吸气强度下该组合控制方法对第一和第二模态波的增长率分别实现了12.63%和28.02%的抑制效果.以上结果表明“微槽-吸气”组合控制手段具有适用宽频、布置区域灵活的优点,展现出了一定的多模态控制效果.     

壁流动中的转捩

对壁流动的不同实验结果做了对比,这些实验结果来自于流动显示、热膜测量以及PIV测量, 对比的同时,还总结了与此相应的理论方面的进展.这些进展是在对所选大约120篇文献中内容归纳提炼的基础上给出的.尽管实验中所使用的初始扰动条件不同,但所发现的流动结构几乎是完全一样的. 在对壁流动转捩的认识方面,认为下列所观察到的流动结构是最基本最重要的:在边界层和管流中被称为类孤子相干结构(SCS)的三维非线性涡包、$\Lambda$涡、二次涡环和涡环链.近期的实验中发现了这些结构形成和转捩的动力学过程,具体包括以下内容: (1) $\Lambda$ 涡和二次涡环间持续的相互作用过程.该过程决定了涡环链的产生方式, 总是从壁面区域周期性地形成,并进入到边界层的外部区域; (2)高频涡的生成,这是理解转捩和湍流边界层(以及其他流动)发展的关键问题之一.尽管已经提出了一些解释,但是二次涡环的实验发现将对此提供一个特别清晰的解释.(3)在所有湍流猝发中SCS所起的关键作用.这一点被看做是低雷诺数湍流边界层中湍流产生的关键机制.与猝发直接相关联的是低速条带. 基于SCS的动力学过程, 针对壁流动情况,可以比以前更清晰地解释低速条带的形成机制及其与流动结构的关系.在实验中所观察到的SCS和二次涡环,不仅能使我们重温壁面流动转捩中的经典故事, 同时还开辟一条新的途径,可以基于此建立壁面流动转捩可能具有的普适性的动力学过程.      

可压缩横流失稳及其控制

边界层流动转捩的预测与控制一直是流体力学研究中的一个重要问题. 三维边界层流动工程中十分常见, 而横流失稳是导致三维边界层流动转捩的主要原因. 本文综述了近些年来三维边界层失稳和转捩方面的研究概况. 从机理上讨论了横流扰动的感受性、首次失稳、二次失稳和转捩控制等方面的研究进展. 在数值计算方面, 简要概述了线性稳定性理论、非线性稳定性理论和直接数值模拟方法在横流失稳和转捩方面的应用.本文对横流失稳研究当前存在的问题进行了讨论, 对今后研究的发展趋势作了相应展望.     

后掠机翼低速流动转捩位置的升华法测量

报导了在西北工业大学低湍流度风洞中采用升华法测量后掠翼上表面流动转捩位置及其随攻角变化而改变情况,并参照后掠翼压力分布的实验结果进行分析.本文涉及的升华法,是根据边界层的层流区和湍流区流态差别来判断边界层转捩的一种测量方法.升华法的测量结果表明:在小攻角范围内,转捩位置逐渐提前,当达到某一攻角时,转捩快速接近前缘.这一结果和压力分布的实验结果相吻合,说明升华法能够较准确地显示转捩线位置.由于影响后掠翼转捩位置的因素较多,诸如边界层内横流的不稳定性、壁面的干扰、后掠翼的三维流动效应等,致使出现了攻角为4°时转捩位置呈现出一条斜线的现象.     

波纹壁对高超声速平板边界层稳定性的影响

高超声速边界层转捩会使飞行器表面热流和摩阻增加3～5倍,极大影响高超声速飞行器的性能.波纹壁作为一种可能的推迟边界层转捩的被动控制方法,具有较强的工程应用前景.文章研究了不同高度和安装位置的波纹壁对来流马赫数6.5的平板边界层稳定性的影响.采用直接数值模拟(DNS)得到层流场,并在上游分别引入不同频率的吹吸扰动以研究波纹壁对扰动演化的作用.对于不同位置的波纹壁,探究了其与同步点相对位置对其作用效果的影响,与相同工况下光滑平板的扰动演化结果进行了对比,发现当快慢模态同步点位于波纹壁上游时,波纹壁会对该频率的第二模态扰动起到抑制作用.当同步点位于波纹壁之中或者下游时,波纹壁对扰动的作用可能因为存在两种不同的机制而使得结果较为复杂.对于不同高度波纹壁,发现高度较低的波纹壁,其作用效果强弱与波纹壁高度成正相关,而更高的波纹壁则会减弱其作用效果.与DNS结果相比,线性稳定性理论可以定性预测波纹壁对高频吹吸扰动的作用,但在波纹壁附近的强非平行性区域误差较大.     

自然对流边界层中湍流的发生

自然对流边界层中从层流到湍流的转捩经历了浮力振型、无摩擦振型和黏性振型的三重流动不稳定性相继产生的前转捩过程,以及近壁迅速出现强湍流源,随之平缓地向自模拟的湍流边界层过渡的热转捩过程.浮力振型在修正Grashof数G>40时开始失稳并成为主要振型,在振幅分布中3种振型的临界层位置处出现3个峰值;在G>100时浮力振型消失,无摩擦振型失稳并成为主要振型,振幅分布中在近壁区还出现黏性振型的峰值;在G>170时无摩擦振型经非线性演化在外层形成较弱的湍流,但内层黏性应力仍远高于湍流应力,振幅分布中仅有与黏性振型相应的峰值,在频谱中黏性振型的基频、第一、第二、第三阶亚谐频随G的增加相继出现,此时黏性不稳定波的高频成分已转化为湍流,但低频成分仍按线性规律增长,直至湍流惯性子区开始形成;至G>800时黏性振型消失,并在G=850附近时近壁区出现强湍流源,湍流应力、湍能产生项和近壁湍流热流率剧增.在热转捩后期,湍流应力和湍能产生项明显下降,流动在内外层趋于平衡.     

简单剪切流动中转捩的低维模式与数值模拟

回顾了过去10年在壁湍流和自 由剪切流转捩问题的数值研究中取得的重要进展, 介绍了数值方法和模式研究方面 的进展, 以及由此带来的关于转捩理论认识上的进展. 对于壁面流动, 文中主要介 绍了渐进稳定流动中``跨越(bypass)转捩'研究中的各种观点. 本文也简要介绍了 对感受性和转捩控制方面的研究.     

振荡边界层研究及其应用

综述了振荡边界展的研究现状,包括:层流边界层,转捩和湍流边界层的理论、数值和实验研究的最新进展．在自然界,最典型的例子是波浪、潮汐作用下的水底边界层．同时讨论了水底边界层的特点及其中物质输送的动力学过程,还给出了实际应用的例子．      

柔性壁面湍流边界层相干结构控制的实验研究

本文利用热膜测速技术对刚性壁面和柔性壁面湍流边界层的流向速度分量进行了实验测量,首先研究了柔性壁面对平均速度分布和湍流度分布的影响,结果表明:柔性壁面的边界层速度分布在对数律层向上有所平移,缓冲层加厚,具有一般的壁面减阻特征;而柔性壁的湍流度比刚性壁的湍流度要低,分布也更为平坦。然后综合运用自相关法和条件采样技术研究了湍流近壁区的相干结构,结果表明:刚性壁自相关曲线的第二峰值出现的时间比柔性壁的短,柔性壁的猝发频率比刚性壁的低许多。实验结果表明柔性壁面具有一定的减阻作用。     

基于温敏光纤的边界层转捩测量技术研究

利用LUNA公司的ODi SI-B光纤分布式传感系统,开展基于温敏光纤的高精度转捩测量技术研究。试验在NF-3低速风洞中进行。在钢架木质OA309旋翼翼型模型展向中剖面沿弦向开槽埋入电热丝及温敏光纤,用ODi SI-B光纤分布式传感系统测量翼型表面弦向温度分布,按照模型表面温度变化进行边界层转捩判断。通过牛顿冷却公式推导出换热系数比,并根据换热系数比的阶跃来判断转捩位置。结果表明:电热丝与光纤间距的不均匀会导致加热不均匀,进而影响转捩判断;在一定迎角范围下,无论是层流区域还是湍流区域内,温度下降量线重合,换热系数比曲线也重合;转捩区发生从层流线到湍流线跳跃的规律,可以用于边界层转捩判断;可以实现毫米级空间准度的转捩位置测量,得到的转捩位置结果与已有文献的结果一致,转捩判断结果随迎角和雷诺数的变化也符合气动规律。     

纳米流体在伸/缩楔体上的MHD流动数值研究

对纳米流体在伸/缩楔体上的磁流体(MHD)流动进行了数值研究。首先,通过相似变换将控制偏微分方程转化为非线性常微分方程组;然后,利用Matlab软件,借助打靶法,结合四阶五常龙格库塔迭代方案进行数值求解;最后,详细讨论了各控制参数对无量纲速度、温度、浓度、表面摩擦系数、局部Nusselt数和局部Sherwood数的影响。结果表明,楔体在拉伸情况下只有唯一解,理论上不会出现边界层分离;而在一定收缩强度范围内存在双解,边界层流动在壁面处可能会出现边界层分离,壁面抽吸会使边界层分离推迟;楔体在拉伸情况下,磁场参数对表面摩擦系数的影响较大,对局部Nusselt数和局部Sherwood数的影响较小。     

高超声速边界层中模态转化的数值研究

在高超声速边界层中,第一模态和第二模态是与转捩有关的两个主要不稳定模态.除了不稳定模态,还存在一类稳定模态,其相速度在前缘接近快声波的相速度称为快模态.在感受性过程中,这类模态对激发边界层中不稳定模态起着很重要的作用.前缘感受性理论解释了边界层外扰动激发边界层中第一模态波的机理.针对高超声速平板边界层,利用相似性解剖面作为基本流,采用线性稳定性理论和直接数值模拟的方法研究了快模态和慢模态的稳定性行为.研究发现模态转化的位置与马赫数有关.根据线性稳定性理论的结果定义了临界频率.当扰动频率高于临界频率,第一模态与第二模态同支;而当扰动频率低于临界频率,第一模态与第二模态的共轭模态同支.借助稳定性方程的伴随方程分析了直接数值模拟的结果.直接数值模拟结果表明不论上游是快模态还是慢模态,当它们经过第二模态的不稳定区,它们都会演化成第二模态. 这可用模态在非平行流中传播的特征来解释.      

超声速平板边界层斜波失稳转捩过程研究

以5阶迎风和6阶对称紧致格式混合差分求解三维可压缩滤波Navier-Stokes方程，对Mach 数为4.5, Reynolds数为10000的空间发展平板边界层湍流进行了大涡模拟. 时间推进采用 紧致存储3阶Runge-Kutta方法，亚格子尺度模型为修正Smagorinsky涡黏性模型. 通过在 入口边界叠加一对线性最不稳定第一模态斜波扰动，数值模拟得到了平板层流边界层失稳转 捩直至湍流的演化过程. 对流场转捩过程中瞬时量及统计平均量的分析表明，数值模拟结果 与理论吻合，得到的Y型剪切层、交替\Lambda涡结构以及转捩后期的发卡涡结构的发展 变化与相关文献结果一致，湍流流谱定性合理.     

高超声速边界层中模态转化的数值研究

在高超声速边界层中,第一模态和第二模态是与转捩有关的两个主要不稳定模态.除了不稳定模态,还存在一类稳定模态,其相速度在前缘接近快声波的相速度称为快模态.在感受性过程中,这类模态对激发边界层中不稳定模态起着很重要的作用.前缘感受性理论解释了边界层外扰动激发边界层中第一模态波的机理.针对高超声速平板边界层,利用相似性解剖面作为基本流,采用线性稳定性理论和直接数值模拟的方法研究了快模态和慢模态的稳定性行为.研究发现模态转化的位置与马赫数有关.根据线性稳定性理论的结果定义了临界频率.当扰动频率高于临界频率,第一模态与第二模态同支;而当扰动频率低于临界频率,第一模态与第二模态的共轭模态同支.借助稳定性方程的伴随方程分析了直接数值模拟的结果.直接数值模拟结果表明不论上游是快模态还是慢模态,当它们经过第二模态的不稳定区,它们都会演化成第二模态.这可用模态在非平行流中传播的特征来解释.