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.     

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...     

超声速三维空腔流气动噪声被动控制

抑制超声速武器舱空腔流噪声是航空领域中一项重要课题。大量研究表明在空腔前缘采用主/被动控制技术可以在一定程度上抑制腔内噪声水平。利用大涡模拟(large eddy simulation, LES)技术计算分析了Mach 1.4开式矩形方腔及波形、弧形两种前后壁几何修形后空腔的流动及噪声, 探索超声速来流条件下几何修形被动控制技术对开式方腔流噪声的抑制能力。计算结果表明波形和弧形空腔对腔内噪声均具有一定的抑制作用, 且波形空腔噪声控制效果更优。分析认为空腔几何修形能够改变空腔上方剪切层及腔内大尺度涡结构的发展演化, 进而实现对腔内噪声的控制。此外, 还应用LES方法计算分析了增厚的来流边界层条件下超声速方腔流, 发现来流边界层增厚可显著降低腔内噪声水平。      

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。      

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.     

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.     

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.      

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。      

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.     

激光聚焦扰动作用下高超声速边界层稳定性实验研究

在马赫数6、单位雷诺数3.1×10⁶/m的条件下对半锥角7°直圆锥边界层稳定性开展了实验研究.以激光聚焦于流场中局部空间而产生的膨胀冲击波作为人工添加的小扰动,分析了该扰动对高超声速圆锥边界层流动稳定性的影响.实验中利用响应频率达到兆赫兹量级的高频压力传感器对圆锥壁面脉动压力进行测量,通过对压力数据进行短时傅里叶分析和功率谱分析发现,相比于不添加激光聚焦扰动的结果,添加激光聚焦扰动使边界层中第二模态波的出现位置提前,且扰动波的幅值大幅度地增加,在相同的流向范围内,激光聚焦扰动将边界层中的扰动波从线性发展阶段推进到非线性发展阶段,其对边界层中扰动波发展的促进效果明显.同时,激光聚焦位置的不同对边界层中扰动波的发展也具有不同的影响.当激光直接聚焦于圆锥壁面X=100 mm位置时,边界层中频率为90 kHz的扰动波幅值增长最快,在X=500 mm的位置处其幅值放大倍数为3.81,相比而言当激光聚焦位置位于圆锥前方自由来流中时,边界层幅值增长最快的扰动波频率大幅减小为73 kHz,相同范围内,其幅值放大倍数为4.51倍.由此可见,当激光聚焦位置位于圆锥上游的自由来流中时,其对边界层中扰动波的影响更为显著.     

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.      

基于Ramp-VG阵列的超声速混合层流动控制实验研究

利用基于纳米示踪的平面激光散射(nano-tracer-based planar laser scattering,NPLS)技术研究了Ramp-VG阵列对超声速混合层流场的控制效果.对流Mach数Mac=0.17.通过比较无控和控制状态下的混合层NPLS图像,发现控制状态下混合层流动速度提高了5％～15％,K-H不稳...     

高速流动PIV示踪粒子跟随性分析

通过理论推导提出了一种评价高速流动PIV示踪粒子随流能力的松弛特性分析模型,在法向Mach数大于1.4时具有良好的适用性.将新模型应用于试验测量,发展了高速流动PIV系统和示踪粒子布撒技术,验证了高速流动PIV的定量化测量能力.针对空间发展的二维超声速气固两相混合层,数值模拟了不同Stokes数和对流Mach数（M_c）下的粒子跟随性以及弥散和迁徙运动,结果表明:相同对流Mach数,粒径越小的示踪粒子跟随性越好,Stokes数在[1, 10]范围内的粒子有最大扩散距离.示踪粒子的直径大小决定其在超声速混合层大涡拟序结构中的分布特征,且粒径越小,气体与粒子的掺混越剧烈.相同粒径的粒子,对流Mach数越大跟随性越差.      

声学超表面抑制Mack第2模态机理与优化设计

从理论上推导了声学超表面对平面声波的作用模型,该理论模型计及声波高阶衍射模态,从而能够计及超表面微结构之间的声学干扰.通过与数值结果对比,该模型预测的反射频率精度得到了一定程度的提高,并能够分辨出相邻孔声场之间的耦合模态.讨论了声学超表面吸声特性与阻抗特性对高超声速边界层内Mack第2模态的抑制机理,研究发现通过设计超表面阻抗特性,使得入射声波与反射声波在壁面处相位相反,同样可以抑制Mack第2模态.基于理论模型,分别优化设计得到最优的微结构几何尺寸,并通过对Mach 6平板边界层流动进行稳定性分析,验证了超表面不同声学特性的抑制效果.      

超声速层流/湍流压缩拐角流动结构的实验研究

在Ma=3.0的超声速风洞中, 分别对上游边界层为超声速层流和湍流, 压缩角度为25°和28°的压缩拐角流动进行了实验研究. 采用纳米粒子示踪平面激光散射(NPLS)技术获得了流场整体和局部区域的精细结构, 边界层、剪切层、分离激波、回流区和再附激波等典型结构清晰可见, 测量了超声速层流压缩拐角壁面的压力系数. 从时间平均的流场结构中测量出分离激波、再附激波的角度和再附后重新发展的边界层的增长情况, 通过分析时间相关的流场NPLS图像, 可以发现流场结构随时间的演化特性. 实验结果表明: 在25°的压缩角度下, 超声速层流压缩拐角流动发生了典型的分离, 边界层迅速增长失稳转捩, 并引起一道诱导激波, 流场中出现了K-H涡、剪切层和微弱压缩波结构, 而超声速湍流压缩拐角流动没有出现分离, 湍流边界层始终表现为附着状态; 在28° 的压缩角度下, 超声速层流压缩拐角流动进一步分离, 回流区范围明显扩大, 诱导激波、分离激波向上游移动, 再附激波向下游移动, 分离区流动结构复杂, 相比之下, 超声速湍流压缩拐角流动的回流区范围明显较小, 边界层增长缓慢, 流场中没有出现诱导激波、K-H涡和压缩波, 流动分离区域的结构也相对简单, 但分离激波的强度则明显更强. 关键词： 压缩拐角 层流 湍流 流动结构     

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.     

带控制的超声速二维后台阶流动显示

在Mach数3.4的来流条件下,对二维后台阶流动精细结构开展了实验研究.实验分为后台阶上游无控制加粗糙带扰动及微涡流发生器（micro-vortex generator,MVG）扰动3种状态,采用基于纳米示踪的平面激光散射（nano-tracer based planar laser scattering,NPLS）方法获得了流向和展向切面内的高时空分辨率流动显示图像,并测量了模型表面静压分布.对大量NPLS图像取平均,研究了流场结构的时间平均规律,对比不同时刻的瞬态流场精细结构图像,发现不同状态下的湍流大尺度结构的特征时间.有粗糙带状态相对无粗糙带台阶下游回流区压力更低,而下游压力较高,台阶上游区别不大;受MVG控制后台阶下游附近区域压力突增;MVG对流动的控制改变能力较强,粗糙带能调整台阶上下游附近流动平稳过渡,流场壁面压力没有突变.      

低浓度三分子模型差速流动引起的化学不稳定性

建立了低浓度三分子反应模型反应 流动 扩散方程 ,理论分析了出现差速流动化学不稳定的条件 ,得到了临界流动速率c 和扰动波包的群速度vg,讨论了扰动增长率与流速的关系 ,并理论研究了出现不稳定时系统的时、空结构 .研究结果表明 ,化学反应在低浓度条件下也可能出现差速流动引起的化学不稳定 .     

相邻双侧边盖驱动方腔流动的三维线性整体稳定性

文章考察了相邻双侧边盖驱动方腔流动（即上壁面向右运动和左侧壁面向下运动）的三维线性整体稳定性.首先,采用Taylor-Hood有限元方法并经由Newton迭代过程计算得到双侧边盖驱动方腔流动的二维稳态基本流.其次,Taylor-Hood有限元在Chebyshev Gauss配置点上进行离散,同时Gauss配置点也可以用于线性稳定性方程的高阶有限差分格式离散.然后,离散得到的矩阵形式的广义特征值问题可以结合shift-and-invert算法采用隐式重启Arnoldi方法计算.最后,通过对线性稳定性方程特征值的计算,发现了一个最不稳定的驻定模态和两对对称行波模态.最不稳定的三维驻定模态的临界Reynolds数为Re_c=261.5,远远小于二维不稳定的临界Reynolds数Re_c2d=1 061.7.通过画出这3类三维不稳定模态的流向扰动速度和扰动涡量的空间等值面图像,可以发现不稳定扰动位于稳态基本流的两个主涡区域,因此可以认为主涡区域是三维扰动失稳的主要能量来源地.      

激波与层流/湍流边界层相互作用实验研究

在超声速风洞中,分别对层流和湍流来流条件下的边界层和斜激波(激波强度足以引起流动分离)相互干扰进行了实验研究,利用纳米粒子示踪平面激光散射(NPLS)技术获得了两种条件下流场的精细结构图像;利用粒子图像测速(PIV)技术获得了两种条件下流场的速度场和涡量场;综合运用NPLS结果和PIV结果对比分析了两种流动的瞬时流动结构和时间相关性,实验结果表明:层流边界层内的分离区呈现出狭长的条状,而湍流边界层内分离区呈现出较规则的椭圆;在入射激波上游距入射点较远的位置,层流边界层外围拟序结构会诱导出一系列压缩波系,进而汇聚成空间位置不稳定的诱导激波,而湍流边界层则是在入射激波上游较近的地方直接形成较强且稳定的诱导激波;在入射激波下游,层流边界层内的膨胀区域较小且急促,膨胀后产生的再附激波很弱,而湍流边界层内的膨胀区域较大,膨胀后产生的激波较强。