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.     

多孔表面推迟高超声速边界层转捩的机理

利用线性稳定性理论分析（LST）结合直接数值模拟（DNS）研究高超声速多孔表面边界层流动的失稳特征,分析多孔表面推迟高超声速边界层转捩的机理.在Ma=6,Re=2.0×10⁴（参考长度为入口处边界层位移厚度）条件下获得平板边界层及不同孔隙排列情形下平板边界层的典型流动特征,并采用LST方法分析光滑平板及多孔平板扰动的增长率及累计放大率.研究表明三维顺排及错排多孔表面都可以抑制第二模扰动的发展,推迟高超声速边界层转捩,但顺排多孔表面推迟高超声速边界层转捩能力更强.     

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.     

基于温敏漆技术的圆锥高超声速大攻角绕流背风面流动结构实验研究

高超声速流动中, 大攻角下圆锥背风面边界层会存在流动分离与再附、边界层转捩等多种流动现象, 进而对圆锥表面温度分布产生显著的影响。为了对这一复杂流动规律及其对表面温升分布的影响进行讨论, 研究基于温敏漆技术, 得到了在Mach数为6的低湍流度来流条件下, 攻角为10°的圆锥背风面温升分布结果。通过对不同位置、不同方位角处温升分布曲线的分析, 对大攻角下圆锥背风面边界层流动发展过程及不同发展阶段的流动特征进行了讨论。同时, 通过对来流总压的调节, 得到了不同Reynolds数下的圆锥背风面温升分布结果, 总结了Reynolds数对流动的影响规律。研究发现, 高超声速大攻角圆锥背风面边界层流动发展过程中会依次出现层流分离、定常横流涡影响、转捩以及湍流分离与再附等流动特征, 而在不同的Reynolds数下, 各个流动特征产生影响的范围不同, 随着Reynolds数的降低, 层流范围和定常横流涡影响范围均有所增加, 而从观察到横流影响到转捩开始发生的范围基本相同。      

展向凹槽及泄流孔对高超声速平板边界层转捩影响的试验研究

针对展向凹槽和泄流孔对高超声速钝平板边界层转捩的影响,在中国空气动力研究与发展中心F2 m激波风洞(FD-14A)开展了试验及初步的计算与理论研究.试验的来流马赫数为6、单位雷诺数为3.3×107/m,平板的前缘半径为1 mm,攻角为–4°.在距平板前缘110 mm处布置三组不同的二维展向凹槽,凹槽的宽度与深度分别为凹槽1(2.5 mm,1 mm)、凹槽2(3.75 mm,1.5 mm)、凹槽3(5 mm,2 mm),同时凹槽1的两端可以打开泄流孔,记为凹槽4,不含凹槽时的光滑平板情况记为凹槽5或平板.采用热流传感器测量了不同情况下平板中心线的热流分布,测量结果显示,光滑平板情况在x≈340 mm处开始转捩,在x≈425 mm处转捩接近完成.凹槽导致平板边界层的转捩位置提前,且随着凹槽宽度及深度的增加,对转捩的促进作用增强,转捩位置向上游移动.凹槽1增加泄流孔后(凹槽4)其热流分布及转捩位置与光滑平板情况基本一致.边界层流动完全转捩为湍流后,各情况下的热流差别较小,表明不同规格的凹槽只影响转捩过程中的热流分布,对转捩完成后的湍流壁面热流影响较小.数值计算(CFD)结果显示,泄流孔导致了被动抽吸,试验结果显示凹槽两端的泄流孔抽吸效应抵消了凹槽对平板中心线边界层转捩的促进作用.采用线性稳定性理论(LST)及最优扰动方法分析了光滑钝平板情况的流动失稳机制.LST结果显示,本文平板流动不存在Mack第一模态、第二模态失稳,因此传统的模态失稳机制无法解释试验中观测到的转捩现象.最优扰动计算显示,平板流动存在较强的非模态失稳,可以定性解释观测到的转捩现象.     

高超声速飞行器复杂外形转捩预测

采用k-ω-γ 转捩模式对某新型飞行器外形的典型流动特征和边界层失稳特性进行了分析.研究结果表明,横流是影响飞行器大面积转捩的主要因素.随着高度增加,来流Reynolds数减小,迎风面和背风面的转捩起始位置均向下游移动.随着攻角增加,头部附近背风面的展向压力梯度增大,横流效应增强,转捩起始位置向上游移动;另一方面攻角增...     

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.     

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.     

斜波转捩研究综述

斜波转捩是一类由一对频率、波角相同但方向相反的斜波引起的转捩过程,广泛存在于平板、零攻角圆锥、二维曲板等边界层流动以及压缩拐角流动、自由剪切流动中。斜波转捩不仅是超声速乃至高超声速流动中主要的自然转捩路径之一,还代表一种重要的亚临界转捩或旁路转捩路径,在管流、槽道流乃至高超声速大钝度熵层/边界层流动转捩中扮演着重要角色。开展斜波转捩研究对深化转捩机制认识,改善转捩预测水平,提升转捩控制能力,进而优化飞行器设计具有重要意义。为此,回顾了斜波转捩研究30余年来的发展历程和重要进展,介绍了斜波转捩发生机制、与其他转捩路径的关系以及相关控制手段,并展望了有待进一步研究的问题。     

磷光热图技术在常规高超声速风洞热环境实验中的应用

通过采取快速插入、建立同步采集系统等措施,在中国航天空气动力技术研究院FD-07常规高超声速风洞建立了磷光热图技术,并成功地获得了平板三角翼模型表面热流分布.基于实验结果,初步分析了来流Reynolds数等参数对三角翼表面热流分布的影响.结果表明,三角翼外形中心线处转捩靠后,两侧转捩靠前,且随着来流Reynolds数的增加,转捩位置进一步前移.总的来说,磷光热图技术能够直观地显示流动转捩发生的位置以及转捩后湍流区的形状,为高超声速飞行器热防护设计提供了一种新的技术途径.      

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...     

Wavelet Cross-Spectrum Analysis of Multi-Scale Disturbance Instability and Transition on Sharp Cone Hypersonic Boundary Layer

Experimental measurement of hypersonic boundary layer stability and transition on a sharp cone with a half angle of 5° is carried out at free-coming stream Mach number 6 in a hypersonic wind tunnel. Mean andfluctuation surface-thermal-flux characteristics of the hypersonic boundary layer flow are measured by Pt-thin-film thermocouple temperature sensors installed at 28 stations on the cone surface along longitudinal direction. At hypersonic speeds, the dominant flow instabilities demonstrate that the growth rate of the second mode tends to exceed that of the low-frequency mode. Wavelet-based cross-spectrum technique is introduced to obtain the multi-scale cross-spectral characteristics of the fluctuating signals in thefrequency range of the second mode. Nonlinear interactions both of the second mode disturbance and the first mode disturbance are demonstrated to be dominant instabilities in the initial stage of laminar-turbulence transition for hypersonic shear flow.     

Improved algorithm for solving nonlinear parabolized stability equations

Due to its high computational efficiency and ability to consider nonparallel and nonlinear effects, nonlinear parabolized stability equations(NPSE) approach has been widely used to study the stability and transition mechanisms. However,it often diverges in hypersonic boundary layers when the amplitude of disturbance reaches a certain level. In this study, an improved algorithm for solving NPSE is developed. In this algorithm, the mean flow distortion is included into the linear operator instead of into the nonlinear forcing terms in NPSE. An under-relaxation factor for computing the nonlinear terms is introduced during the iteration process to guarantee the robustness of the algorithm. Two case studies, the nonlinear development of stationary crossflow vortices and the fundamental resonance of the second mode disturbance in hypersonic boundary layers, are presented to validate the proposed algorithm for NPSE. Results from direct numerical simulation(DNS) are regarded as the baseline for comparison. Good agreement can be found between the proposed algorithm and DNS, which indicates the great potential of the proposed method on studying the crossflow and streamwise instability in hypersonic boundary layers.     

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...     

高超声速边界层中由粗糙元引起强制转捩的机理

由大粗糙元引起的高超声速边界层强制转捩在航天技术中有实际应用, 因而近年来受到人们的广泛关注.虽然目前导致该转捩过程的内在机理尚不完全清楚, 但有一点是明确的, 即粗糙元的尾迹流场中存在强对流不稳定性.文章的出发点是研究这种对流不稳定模态是如何触发转捩的.首先通过CFD方法, 计算出高超声速边界层中粗糙元的尾迹流场, 并对其进行二维稳定性分析.结果发现, 在传统不稳定Tollmien-Schlichting(T-S)模态出现的临界Reynolds数之前, 存在高增长率的无黏不稳定模态, 表现为对称的余弦模态和反对称的正弦模态.然后对该不稳定模态在粗糙元尾迹流中的演化进行了模拟, 验证了二维稳定性分析的结果, 并考察了非平行性效应的影响.最后通过直接数值模拟, 研究由这些不稳定模态触发转捩的全过程.结果表明, 对流不稳定模态确实是导致边界层转捩的关键机制.该转捩过程的特点是, 局部湍斑首先在不稳定模态特征函数的峰值附近出现, 然后向全流场扩散.就文章研究的工况而言, 余弦和正弦模态的相互作用对转捩的影响并不明显, 且后者在转捩过程中起主导作用.      

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.