前缘曲率对三维边界层内被激发出非定常横流模态的影响研究

三维边界层感受性问题是三维边界层层流向湍流转捩的初始阶段,是实现三维边界层转捩预测与控制的关键环节.在高湍流度的环境下,非定常横流模态的失稳是导致三维边界层流动转捩的主要原因;但是,前缘曲率对三维边界层感受性机制作用的研究也是十分重要的课题之一.因此,本文采用直接数值模拟方法研究在自由来流湍流作用下具有不同椭圆形前缘三维（后掠翼平板）边界层内被激发出非定常横流模态的感受性机制;揭示不同椭圆形前缘曲率对三维边界层内被激发出非定常横流模态的扰动波波包传播速度、传播方向、分布规律、感受性系数以及分别提取获得一组扰动波的幅值、色散关系和增长率等关键因素的影响;建立在不同椭圆形前缘曲率情况下,三维边界层内被激发出非定常横流模态的感受性问题与自由来流湍流的强度和运动方向变化之间的内在联系;详细分析了不同强度各向异性的自由来流湍流在激发三维边界层感受性机制的物理过程中起着何种作用等.通过上述研究将有益于拓展和完善流动稳定性理论,为三维边界层内层流向湍流转捩的预测与控制提供依据.     

无限薄平板边界层前缘感受性过程的数值研究

在边界层流中层流向湍流转捩机理的研究一直是人们所关注的重要理论课题之一.感受性阶段是边界层内整个转捩过程中的初始阶段,它在层流向湍流转捩过程中起着关键性的作用.但是,在过去的边界层前缘感受性研究中大多数都是针对外部声波小扰动,很少见到考虑在自由流中普遍存在的自由来流湍流作用下边界层内诱导前缘感受性问题的相关报道.本文采用直接数值模拟的方法,研究自由来流湍流与无限薄平板前缘驻点扰动作用下边界层流中前缘感受性过程的内在机理.数值结果发现,在自由来流湍流与无限薄平板前缘驻点扰动作用下边界层流中能被感受出一组小扰动波,且它们的色散关系、增长率、中性曲线等结果都与流动稳定性中的线性理论获得的理论解相一致,由此可知在边界层内被激发产生的一组小扰动波就是Tollmien-Schlichting波,这也证明自由来流湍流与无限薄平板前缘驻点扰动相互作用是激发边界层流中前缘感受性过程的另一种物理机理;另外,还探讨了自由来流湍流度以及自由来流湍流的运动方向对无限薄平板边界层前缘感受性过程有何影响等.总之,开展边界层前缘感受性过程的深入研究,有益于完善流动稳定性理论,将为层流向湍流转捩过程的预测提供合理的理论依据.     

壁面局部吹吸边界层感受性的数值研究

目前理论、实验以及数值模拟主要研究自由来流中的小扰动与壁面局部粗糙相互作用激发边界层感受性问题. 但是, 针对自由来流湍流与壁面局部吹吸相互作用诱导边界层感受性的相关报道甚少. 本文采用直接数值模拟和快速傅里叶变换的方法, 数值研究了二维平板壁面具有局部吹吸的边界层感受性问题. 结果发现, 在二维边界层内能找到一组被激发产生的Tollmien-Schlichting(T-S)波波包的包络序列以及从波包中能够分离出一组稳定的、中性的和不稳定的T-S波, 证明了二维边界层内感受性现象的存在性. 经数值计算获得了T-S波波包传播的群速度; 并建立了自由来流湍流强度、壁面局部吹吸强度和长度与二维边界层感受性之间的关系, 获得了与Dietz感受性实验相类似的结论. 另外, 还发现在自由来流湍流与壁面局部吹、吸相互作用下能诱导二维边界层内产生相位相反的T-S波. 依据这一理论机理来优化设计局部吹吸装置, 不但能促使层流向湍流转捩的提前, 也可以延迟转捩过程的发生, 达到控制湍流运动的目的.     

三维边界层内定常横流涡的感受性研究

层流向湍流转捩的预测与控制一直是研究的前沿热点问题之一,其中感受性阶段是转捩过程中的初始阶段,它决定着湍流产生或形成的物理过程.但是有关三维边界层内感受性问题的数值和理论研究都比较少;实际工程问题中大部分转捩过程都是发生在三维边界层流中,所以研究三维边界层中的感受性问题显得尤为重要.本文以典型的后掠角45?无限长平板为例,数值研究了在三维壁面局部粗糙作用下的三维边界层感受性问题,探讨了三维边界层感受性问题与三维壁面局部粗糙长、宽和高之间的关系;然后,考虑在后掠平板上设计不同的三维壁面局部粗糙的分布状态、几何形状、距离后掠平板前缘的位置以及流向和展向设计多个三维壁面局部粗糙对三维边界层感受性问题有何影响;最后,讨论两两三维壁面局部粗糙中心点之间的距离以及后掠角的改变对三维边界层感受性的物理过程将会发生何种影响等.这一问题的深入研究将为三维边界层流中层流向湍流转捩过程的认识和理解提供理论依据.     

三维边界层内诱导横流失稳模态的感受性机理

边界层感受性问题是层流向湍流转捩的初始阶段,在转捩过程中起关键性作用,尤其是三维边界层流动.因此,研究三维边界层感受性问题对进一步理解层流向湍流转捩机理以及湍流成因具有重要的理论意义.采用数值方法研究自由来流湍流与三维壁面局部粗糙相互作用下三维边界层的感受性问题,确定是否能在三维边界层内寻找一种新的横流失稳模态;确定在何种条件下三维边界层内能诱导出定常、非定常的横流失稳模态;探索自由来流湍流的强度、展向波数和法向波数以及三维壁面局部粗糙的大小和结构类型等因素在自由来流湍流与三维壁面局部粗糙作用下三维边界层内被激发出的感受性过程中有何影响,并确定何种横流失稳模态在三维边界层感受性过程中占据何种地位.对自由来流湍流与三维壁面局部粗糙作用激发三维边界层内感受性问题的深入研究,将有助于完善流动稳定性与湍流理论,为层流向湍流转捩过程的预测与控制提供合理的理论依据.     

基于大涡模拟下风力机翼型非定常转捩流动的动态模态分解分析

翼型绕翼流动对风力机整机性能产生重要影响.本文基于大涡模拟方法,得到风力机翼型非定常转捩流动.通过对压力流场的动态模态分解(DMD)分析,发现翼型层流分离泡的生成和发展为流动主要非定常特征,且该特征具有主要频率.预估得到高增长率T-S扰动波频率与DMD模态频率接近,发现高频变化的分离泡由边界层分离点下游不远处的T-S扰动波诱导K-H不稳定性而主导,以及中低频的DMD模态表现为T-S扰动波所引起的湍流结构.对比不同攻角下的DMD分解结果,发现上表面分离泡会逐渐向前移动,长度变短;而下表面分离泡略微后移,长度变化不大.     

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.     

脉冲电弧等离子体激励控制超声速平板边界层转捩实验

脉冲电弧等离子体激励器具有局部加热效应强、扰动范围广等特点,在超声速流动控制中具有广阔的应用前景.本文运用电参数测量系统和高速纹影技术研究了脉冲电弧等离子体激励器在Ma=3来流条件下的电特性和流场特性;采用纳米粒子平面激光散射技术对超声速平板边界层的流动结构进行了精细测量,并对不同等离子体激励频率下的边界层转捩特性进行了研究.实验结果表明,脉冲电弧放电会产生速度较高的前驱冲击波和温度较高的热沉积区,给边界层施加连续不断的扰动.施加扰动的脉冲电弧等离子体激励能够促进超声速平板边界层转捩.并且脉冲放电的高频冲击效应可以促进转捩提前发生,且频率越高,效果越好,当施加激励频率为60 k Hz时,转捩区长度为0,湍流边界层厚度为25 mm.脉冲电弧等离子体激励器可以用来促进超声速边界层转捩.     

前缘形状对钝三角翼边界层稳定性及转捩的影响

选择典型高速流动条件,基于线性稳定性理论研究了不同前缘几何特征对典型大后掠角平板钝三角翼外形高速边界层流动稳定性及转捩的影响.研究表明,椭前缘(截面为椭圆)形状的变化仅影响前缘附近的流场特征和边界层流动稳定性;前缘截面长短轴比(形状因子)变大,前缘形状变尖,则横流速度变大,扰动波增长率变大;对于横流模态和第1模态,不同...     

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.     

Distributed two-dimensional boundary-layer receptivity to non-stationary vortical disturbances in the presence of surface roughness

The distributed (over the longitudinal coordinate) excitation of two-dimensional (2D) Tollmien — Schlichting (TS) waves by weak non-stationary free-stream vortices propagating along the edge of the laminar boundary layer developing over a surface with small-amplitude 2D roughness is examined. The vorticity vector of the free-stream vortices was oriented over the span of the model, i. e., did not depend on the transverse coordinate. The theoretical analysis of the excitation mechanism reported in [1] was refined to develop, around it, a procedure making it possible to experimentally determine the coefficients of distributed vortical receptivity of the flow and the coefficients of “vortex-roughness” receptivity by fitting the experimental distributions with analytical solutions. Under conditions with controllable excitation of disturbances, a detailed hot-wire study of free-stream disturbances and boundary-layer disturbances at several vortex frequencies and at several surface-roughness periods was performed, and the shape of the controllable surface roughness was measured. The point-source method was employed to experimentally examine the characteristics of linear three-dimensional (3D) stability of the flow to TS waves, necessary for determination of the coefficients of distributed receptivity. It was found that the free-stream vortices with transverse orientation of the vorticity vector excited boundary-layer TS waves via two receptivity mechanisms: (a) on the smooth surface (due to natural non-uniformity of the flow) and (b) during interaction of the vortices with the surface roughness. The developed approach was used to experimentally estimate the amplitudes and phases of the coefficients of both types of distributed vortical receptivity as dependent on problem parameters. The absolute values of both types of receptivity coefficients were found to rapidly grow in value with increasing vortex frequency. It is shown that the most efficient excitation of TS waves is observed in the situation with satisfied resonance conditions for streamwise vortex, surface-roughness, and TS-wave streamwise wavenumbers, resulting in strong deviation of the increments of the TS waves from the linear-stability increments. Under no-resonance conditions, only amplitude beats of boundary-layer disturbances were observed. This work was financialy supported by the Russian Foundation for Basic Research (Grant No. 03-01-00299).     

Influence of porous-coating thickness on the stability and transition of flat-plate supersonic boundary layer

In the present study, we examined, both experimentally and theoretically, the influence of porouscoating thickness on the stability and laminar-turbulent transition of flat-plate supersonic boundary layer at free-stream Mach number M_∞ = 2. A qualitative agreement between the data calculated by the linear theory of stability and the experimental data on the transition obtained for models with different porous-coating thicknesses was established. We show that with decreasing (within a certain interval) the porouscoating thickness the boundary layer becomes more stable to perturbations, and the laminar-turbulent transition, more delayed.     

高精度非定常激波装配法

为正确模拟高超声速绕流中,来流小扰动与弓形激波之间的干扰对流动特征的影响,将弓形激波作为动边界,利用非定常特征关系处理激波处的边界条件.应用五阶精度迎风紧致格式和六阶精度的对称格式与三阶精度的R-K方法相结合,建立高精度非定常激波装配方法.采用该方法数值模拟钝锥高超声速定常流场和二维抛物外形高超声速边界层流动的感受性问题,数值模拟来流小扰动与弓形激波干扰激波后非定常扰动流场,研究扰动波进入边界层产生边界层不稳定波的特征.     

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…     

The use of wavelet transform for the correlation analysis of boundary-layer pulsations

As a rule, experimental studies at hypersonic Mach numbers are carried out in short-duration wind tunnels. Under such conditions, data on boundary-layer pulsations are primarily measured by surface pressure sensors. There are many factors affecting the level of pulsations at model walls; that is why the cross-correlation analysis is often invoked to analyze the development of wave packets in boundary layer. However, the standard correlation analysis very often fails in providing the possibility to trace the evolution of wave packets. In the present publication, we propose a new method for obtaining cross-correlation data based on the wavelet transform.