基于Ludwieg管的高超声速边界层转捩实验

高超声速边界层层/湍流转捩是高超声速飞行器气动力和气动热设计中的难点和热点问题.为了降低开展高超声速边界层不稳定性与转捩实验研究的门槛,研究基于Ludwieg管原理设计并建造了一座Mach 6高超声速管风洞,重点对Ludwieg管风洞的启动和运行过程开展了数值模拟,分析了储气段弯管布局对试验段流场的影响;之后,对该高超...     

高超声速圆锥边界层转捩实验研究

在高超声速静音风洞内, 通过基于纳米粒子示踪的平面激光散射(nano-tracer-based planar laser scattering, NPLS)技术、高频压力传感器和温敏漆(temperature sensitive paints, TSP)技术开展了0°攻角条件下7°直圆锥高超声速边界层转捩相关实验研究, 得到了圆锥边界层由层流发展至湍流完整过程的NPLS图像, 清晰地展示了第2模态波的"绳状"结构, 尖锥与钝锥边界层的NPLS结果表明尖锥边界层转捩中第2模态波占主导, 而钝锥边界层在转捩前出现波长约为第2模态波波长5倍(甚至更长)、特征频率不高于31 kHz的狭长涡结构; 采用功率谱密度(power spectrum density, PSD)分析、互相关和N值计算对高频脉动压力数据进行分析, 得到了边界层内扰动波的发展规律, 在尖锥和钝锥中均观察到了沿流向第2模态波幅值先增大后减小、特征频率逐渐降低, 低频成分逐渐增加, 表明边界层发展过程中第2模态率先发展达到饱和, 而后逐渐衰减, 而低频模态则逐渐发展; 通过TSP技术得到了不同单位Reynolds数下的圆锥表面温升分布, 结果表明, 随单位Reynolds数增大, 边界层转捩阵面前移.      

高超声速平板边界层/圆柱粗糙元非定常干扰

以高超声速表面湍流控制为应用背景,平板/粗糙元干扰流动为模型,采用大涡模拟方法研究粗糙元流场干扰作用机理.分析粗糙元外形特征对于流动稳定性影响,给出其引起的流动表面参数的变化规律.结果显示超声速边界层在粗糙元作用下产生强逆压梯度并发生分离,粗糙元高度对高位自由剪切层失稳有明显影响,低粗糙元干扰下游流动稳定性,而高粗糙元剪切层发生流向失稳,形成涡串结构;同时粗糙元干扰导致下游摩阻和热流系数较平板略低,可能应用在进气道降热和减阻中.     

高超声速边界层流动转捩研究

针对高超声速飞行器前体预压缩性所需求的气动构型,开展了具有-级压缩效果的压缩面边界层的流动稳定性分析.采用有限体积法数值求解NS方程组得到基本流场,应用当地局部平行流假设和线性稳定性理论求解了扰动波参数的特征值问题.分析了来流马赫数M_∞=6情况下二维扰动波的演化规律,并进-步关联扰动的空间放大率,结合EN方法进行了转捩预测.     

高超声速高焓边界层转捩的超声速模态

随着飞行速域与空域的不断拓展,高超声速高焓边界层中的热化学非平衡(thermochemical non-equilibrium, TCNE)效应深刻影响了流动转捩过程。近年来,在第2模态下游区域出现的不稳定超声速模态引起了学者们的关注。超声速模态是指在边界层外缘处的相对Mach数大于1的模态,其传播速度快于远场的声波。采用线性抛物线稳定性方程(parabolized stability equations, PSE)理论研究了Mach数为20、半顶角为6°的尖楔绕流条件下超声速模态的临界壁温。研究发现,壁温越低,越容易出现不稳定的超声速模态。进而,探讨了平板边界层流动中不同Mach数条件下的超声速模态和扰动发展形式,发现Mach数增大,第2模态出现越早且最大增长率降低,N的峰值减小。在30 km的高空来流Mach数超过某个临界值时,扰动增长率和超声速模态的发展形式明显不同。     

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POD方法的高超声速边界层转捩判定方法

高超声速边界层转捩是高超声速飞行器设计的关键基础问题之一.为了研究高超声速边界层转捩, 在风洞中, 对平板模型进行了M=5的实验, 在模型中心沿流动方向使用PCB脉动压力传感器对脉动压力时间序列进行采集.文章将本征正交分解(proper orthogonal decomposition,POD)方法引入高超声速脉动压力数据处理中, 发展了单点POD分析方法.经验证, 使用该方法重构数据的均方根(root mean square, RMS)峰值位置可表征转捩位置, 实用性强.      

高超声速条件下7°直圆锥边界层转捩实验研究

在Ma=6低噪声风洞中开展了半锥角7?的直圆锥边界层转捩相关实验研究.利用响应频率达到MHz量级的高频压力传感器对圆锥壁面脉动压力进行了测量,研究了高超声速圆锥边界层中扰动波的发展过程.结果表明:高超声速圆锥边界层中第二模态扰动波产生的位置以及扰动波特征频率和波长等参数受雷诺数影响较大,当单位雷诺数从2×106m~(-1)增加到8×106m~(-1)时,第二模态波的特征频率从55 k Hz增加到226 k Hz;随着单位雷诺数增加,边界层中扰动增长速度加快,第二模态波出现在圆锥表面更靠近上游的位置;相同单位雷诺数条件下,随着第二模态波的向下游传播,其特征频率逐渐减小.通过对比发现自由来流湍流度对边界层中扰动波的发展同样有较大影响,自由来流湍流度降低,边界层中的第二模态波的特征频率明显减小.利用互相关分析得出第二模态扰动波在边界层中的传播速度大约为当地主流速度的0.8—0.9倍.在1?小攻角条件下,圆锥迎风面和背风面边界层发展呈现出明显的差异,背风面边界层中扰动发展提前,第二模态波出现在更靠近上游的位置,而迎风面中扰动发展受到抑制,第二模态波特征频率更大.     

eN方法用于高超声速圆锥边界层转捩预测的可靠性

eN方法基于扰动在边界层中线性演化过程中的幅值增长程度来预测转捩。以来流Mach数为6、不同壁面温度条件下不同钝度圆锥为研究对象,结合直接数值模拟和抛物化稳定性方程,从eN方法是否能够准确描述扰动在上述边界层中线性增长的角度,分析了该方法预测转捩的可靠性。研究结果表明,在小钝度或高壁面温度情况下,扰动在向下游的演化过程中从第1模态转变为第2模态,基于线性稳定性理论的eN方法变得不再可靠。壁面温度相同,头部钝度越大,eN方法越可靠;同等钝度下,壁面温度越低,eN方法越可靠。由于存在模态转换时,线性稳定性理论总是低估扰动的增长,因而对于给定的转捩判据N_T（可由某一工况实验标定给出）,若钝度减小或壁面温度增加到一定程度,eN方法给出的转捩位置比实际情况更靠后。重新标定转捩判据时,钝度越小,壁面温度越高,N_T的修正程度就越大。      

高超声速平板边界层流动显示的试验研究

本文在高超声速脉冲式风洞内对基于纳米示踪的平面激光散射技术(nano-based planar laser scattering, NPLS)的应用进行了探索, 并在此基础上对平板边界层流动结构的精细测量进行了研究. 试验来流Ma=7.3, 总压4.8 MPa, 总温680 K. 通过时序的分析和调试, 对各分系统实现了高精度的同步控制; 定量的粒子注入及混合, 实现了粒子的均匀撒播, 对主流获得了均匀的显示效果; 对于边界层流动, 获得了精细的瞬态流动结构图像, 显示了层流到湍流的转捩过程, 并分析了其时空演化特性.     

Direct numerical simulation methods of hypersonic flat-plate boundary layer in thermally perfect gas

High-temperature effects alter the physical and transport properties of air such as vibrational excitation in a thermally perfect gas,and this factor should be considered in order to compute the flow field correctly.Herein,for the thermally perfect gas,a simple method of direct numerical simulation on flat-plat boundary layer is put forward,using the equivalent specific heat ratio instead of constant specific heat ratio in the N-S equations and flux splitting form of a calorically perfect gas.The results calculated by the new method are consistent with that by solving the N-S equations of a thermally perfect gas directly.The mean flow has the similarity,and consistent to the corresponding Blasius solution,which confirms that satisfactory results can be obtained basing on the Blasius solution as the mean flow directly in stability analysis.The amplitude growth curve of small disturbance is introduced at the inlet by using direct numerical simulation,which is consistent with that obtained by linear stability theory.It verified that the equation established and the simulation method is correct.     

介质阻挡放电等离子体与激波相互作用实验研究

 主要针对介质阻挡放电等离子体改变激波系结构展开了实验研究。验证了介质阻挡放电等离子体气动激励能够对边界层施加影响,顺气流放电时能减小激波强度,逆气流放电时能增大激波强度。逆气流放电时,3组电极放电与4组电极放电比较,3组电极放电时压比更高。由于在该实验中放电区域比边界层小得多,介质阻挡放电产生的体积力远小于高速来流条件下的气动力,因此对激波的作用效果十分微弱。     

Effect of wall temperature on hypersonic turbulent boundary layer

Turbulent boundary layers at Mach 4.9 with the ratio of wall temperature to recovery temperature from 0.5 to 1.5 are investigated by means of direct numerical simulation. Various fundamental properties relevant to the influence of wall temperature on Morkovin’s scaling, standard and modified strong Reynolds analogies, and coherent vortical structures have been studied. It is identified that the scaling relations proposed for cool and adiabatic wall conditions, such as Morkovin’s scaling and the modified strong Reynolds analogy, are also applicable for hot wall condition. Moreover, the relation between the density and temperature fluctuations under the second-order approximation is derived and verified to provide a reliable prediction. Based on the analysis of coherent vortical structures, it is found that the orientation of vortex core can be quantitatively determined by means of the vector with its direction and modulus using the local strain direction and the imaginary part of the eigenvalue of velocity gradient tensor, respectively. As the increase of wall temperature, the spanwise distance between the two legs of hairpin vortex increases, and the mean swirling strength and the angle of vortical structure with respect to the wall plane also increase in the inner layer. The statistical properties relevant to vortical structures are nearly insensitive to the wall temperature in the outer layer.     

DNS of compressible turbulent boundary layer over a blunt wedge

Wall turbulence is more complicated than free turbulence, and the direct numerical simulation (DNS) of wall turbulence is more difficult. In recent years, most of DNS cases for wall turbulence are simplified by using temporal mode, where streamwise pe- riodic boundary condition is imposed. In temporal mode, spatial transition will be con- sidered as an analogue of time-evolving transition. For the channel turbulence, an equivalent body force can substitute for the mean gradient of pressure, …     

介质阻挡放电等离子体与激波相互作用实验研究

主要针对介质阻挡放电等离子体改变激波系结构展开了实验研究。验证了介质阻挡放电等离子体气动激励能够对边界层施加影响,顺气流放电时能减小激波强度,逆气流放电时能增大激波强度。逆气流放电时,3组电极放电与4组电极放电比较,3组电极放电时压比更高。由于在该实验中放电区域比边界层小得多,介质阻挡放电产生的体积力远小于高速来流条件下的气动力,因此对激波的作用效果十分微弱。     

The mechanism of breakdown in laminar-turbulent transition of a supersonic boundary layer on a flat plate-temporal mode

Recently, more and more attentions have been paid to the transition and turbulence of compressible flows, especially supersonic flows, but progress is very slow. In general, attentions were paid to the evolution of disturbances in laminar flow region, and the mechanism of breakdown process in laminar-turbulent transition remains unclear. The conventional idea of what leads to laminar-turbulent transition is that the transi-tion starts from the amplification of disturbances, and when the distur…     

Observations of the atmospheric boundary layer across the land-sea transition zone using a scanning Mie lidar

Optical properties of the atmospheric boundary layer (ABL) above the land-sea transition interface were measured using a scanning Mie lidar located 30 km away from the Adriatic coast. Based on the two-dimensional range-height-indicator scans, detailed information on the ABL was obtained, including parameters such as atmospheric optical depth, aerosol extinction coefficient and the height of the ABL. The presented case study indicates that the height of the ABL in the land-sea transition zone and the adjacent mountainous region was changing rapidly due to highly variable atmospheric conditions.     

介质阻挡放电等离子体对近壁区流场的控制的实验研究

采用粒子图像测速仪对介质阻挡放电等离子体在静止流场中诱导出的速度场、等离子体激励对平板附面层的改变进行了研究.实验结果表明,等离子体激励作用主要集中在近壁面附近;激励电压与诱导速度近似为线性关系,激励频率对诱导速度的影响不大.将等离子体流动控制原理初步归纳为撞击效应和热效应,并通过数值模拟的方法研究了热效应对等离子体激励诱导速度场的影响.数值模拟结果表明,在无来流的情况下等离子体热效应对流场的影响比较明显,使局部水平方向速度大小提高近30%.简要介绍了提高等离子体激励强度的方法. 关键词： 介质阻挡放电等离子体 流动控制 边界层     

合成冷/热射流控制超声速边界层流动稳定性

为了探究超声速边界层流动稳定性及其转捩控制机理,提出基于合成冷/热射流的边界层速度-温度耦合控制方法,并通过数值模拟研究了Ma=4.5超声速平板边界层不稳定波的传播,采用线性稳定性理论中的时间模式分析了壁面吹吸、射流温度、扰动频率、扰动振幅等对不稳定波控制效果的影响.结果表明:无射流控制时,边界层内同时存在不稳定的第一模态扰动波和第二模态扰动波,且二维波形式的第二模态占主导地位;壁面吹吸作用下,仅出现更加不稳定的第二模态,第一模态被抑制;速度-温度耦合控制下,射流温度对扰动模态的不稳定区域大小及扰动增长率影响显著,射流温度与来流温度不同时,温度的脉动使得流动转捩为湍流的速度加快,边界层速度型更加饱满,抗干扰能力增强,流动稳定性提高;高频的吹吸扰动对流场的控制效果优于低频扰动,扰动频率超过400 Hz时,第二模态扰动波时间增长率降低,扰动分量对边界层速度剖面和温度剖面的修正加快,第二模态更加稳定;扰动振幅减小为主流速度的1%时,仅出现时间增长率较小的第二模态,控制效果较好,进一步减小时,第一模态重新出现,并且波数范围与第二模态先重合后分离,对应的时间增长率先增加后减小.研究结果为边界层转捩控制技术提供了新的思路.