二维超声速剪切层的非线性失稳过程分析

利用直接数值模拟方法，模拟了二维超声速剪切流动中的小扰动波随时间发展在空间上的传播过程，由此分析其稳定性，通过相图分析，李雅普诺夫指数分析和分维分析，本文得到了二维超声速自由剪切层流动由线性到非线性失稳过程的数学特征，结果分析表明，在本文的计算条件下，二维超声速混合层流动在失稳过程中出现了间歇现象，并进入了混沌运动的初期阶段。     

可压缩剪切层与边界层流动相互作用的稳定性研究

为了探究可压缩剪切层与边界层组合流动稳定性规律,采用线性稳定性理论对这种组合流动的线性稳定性问题进行研究。平均流动模型取双曲正切函数描述的可压缩剪切层与可压缩相似边界层速度剖面的直接叠加。采用整体数值方法 (Global)求解组合流动线性稳定性方程,获得全部不稳定模态。结果表明,在这样的组合流动中,存在两个不稳定模态,一个与剪切层相关的不稳定模态,另一个是与边界层相关的不稳定模态。在此基础上,研究了剪切层与壁面之间的距离、扰动频率、雷诺数、马赫数、速度梯度、温度梯度对这种组合流动稳定性的影响。马赫数增大对不稳定模态起抑制作用,剪切层对边界层的不稳定模态的促进、抑制作用与马赫数、扰动频率有关,边界层对剪切层不稳定模态基本上起抑制作用。     

超声速混合层中边频扰动的气动声场

为研究超声速流动下混合层声辐射机理，提高对超声速混合层气动噪声的认识，利用抛物化稳定性方程(PSE)考察一对频率接近失稳扰动的非线性演化，分析近场差频扰动的演化特征，并结合Wu积分理论计算远场声辐射特性。结果表明，超声速混合层中频谱拓宽与差频扰动有关，差频扰动的产生，拓宽了远场马赫波辐射范围，增大了远场马赫波辐射强度。对于快模态扰动，差频扰动频率越小，其增长能力越强，远场马赫波辐射区域越宽；对于慢模态扰动，差频扰动频率大小对其增长能力影响不明显，远场马赫波辐射范围和强度变化不大。      

有限长圆管内刚体旋转流的直接数值模拟

通过对三维不可压缩粘性流体的直接数值模拟,研究了有限长圆管内刚体旋转流在初始扰动下,扰动的增长和动力学演化过程.首先,通过改变流动的Reynolds数和旋转角速度ω,分析了轴对称流动中Reynolds数和ω对流动失稳的影响.对于高Reynolds数轴对称流动,利用数值模拟得到的不稳定结果与无粘线性稳定性理论预测的结果一致.最后,为进一步研究流动不稳定发展的三维效应,又进行了完全三维流动的模拟.数值结果表明,三维流动中不稳定的主导模态为螺旋模态,模态在线性段指数增长,导致流动产生螺旋型的漩涡破裂,之后经过非线性段的增长后达到饱和,流动最终发展为轴对称泡型旋涡破裂的稳定状态.     

超声速自由剪切层流动的数值模拟和理论分析

本文从二维完全Ｎ－Ｓ方程出发，采用ＮＮＤ２Ｍ差分格式，计算了超声速自由剪切层流场，并且研究了上游扰动在剪切层内的传播规律。在数值模拟的基础上对流动涡结构进行了分析。     

超声速自由剪切尾流动的数值模拟和理论分析

本文从二维完全Ｎ－Ｓ方程出发，采用ＮＮＤ２Ｍ差分格式，计算了超声速自由剪切层流场，并且研究了上游扰动在剪切层内的传播规律，在数值模拟的基础上对流动涡结构进行了分析。     

超声速绕钝板熵层不稳定性的研究

为了研究熵层的不稳定性,首先选择马赫数为4.5、前缘为圆头的0°钝板模型,利用直接数值模拟得到基本流场,然后在此基础上进行线性稳定性分析,同时通过经验方法确定熵层和边界层区域。研究发现,对于某一流向站位的基本流剖面,存在两个广义拐点,分别位于边界层和熵层。针对熵层的广义拐点,进行稳定性分析研究了熵层中不稳定模态特性,得出该模态的不稳定区域集中在前缘附近,且扰动增长率很小。通过直接数值模拟熵层扰动的演化,发现在前缘附近扰动幅值也是缓慢上升,之后缓慢下降。另外,距离前缘较远处的数值模拟得到的扰动幅值与LST结果比较,二者吻合得很好,说明熵层在下游具有很好的平行性。     

剪切层与边界层组合流动的线性不稳定性分析

对不可压缩剪切层与边界层的组合流动完成了线性稳定性研究.组合流动的数学模型为Blasius边界层相似解与双曲正切函数的叠加,采用整体数值方法求解组合流动的稳定性方程,并验证了程序的准确性及网格无关性.研究给出组合流动的不稳定模态的辨识,即边界层模态和剪切层模态.在此基础上研究了剪切层对边界层模态不稳定性的影响以及壁面对剪切层模态的影响.由于剪切层的存在,使边界层模态中性曲线向左上方平移,临界雷诺数减小.此外,边界层模态不稳定性得到增强或抑制的影响,取决于扰动频率以及剪切层速度比的变化.组合流动中壁面边界层促使剪切层不稳定性减弱,主要表现在低频区域;而在高频区域,剪切层不稳定性几乎不受壁面边界层的影响.      

非线性扰动方程研究平面混合层发声机制

在流动过程中由脉动引起的噪声问题在自然界和工业界中广泛存在,研究流动过程中不稳定波的发声机制对于理解、预测并最终控制气动噪声有着重要意义。本文以二维 Blasius 相似性解作为基本流场,以超声速混合层作为研究对象,采用非线性扰动方程(NLDE)研究超声速混合层不稳定波的近场动力学特性与远场声辐射之间的内在联系。针对不同类型的对流马赫数,分别研究对流马赫数 Mc =0.5(<1)和 Mc =1.2(≥1)两种情况下的扰动发声机制,结果表明：当对流马赫数 Mc <1时,流场中的发声机制主要由大尺度结构的涡条发声,且基本波与亚谐波之间的非线性作用能增强辐射强度;当对流马赫数 Mc ≥1时,根据扰动相速度是相对于上层还是下层自由流速度为超声速,可以进一步分为快慢两种模态,分别对快慢两种模态以及其相互作用模态进行了数值模拟研究,计算得到流场中的发声机制是以马赫波形式辐射向远场,即马赫波辐射,其辐角的计算结果与理论值相符。     

超声速平板边界层中流向涡的生成条件

针对马赫数为4.5的超声速平板边界层,基于线性稳定性理论（LST）选取初始扰动组合,通过直接数值模拟（DNS）,计算了第一模态不稳定波扰动组合沿流向演化生成流向涡的过程。采用改进Omega-Liutex旋涡识别方法进行涡识别,结合流向不同位置截面的流线图,分析了流向涡的生成特性。根据流向涡在zy截面内的流线特征,提出了流向涡的生成条件,研究发现:流向涡可以直接通过一对展向对称的第一模态不稳定斜波扰动与基本流叠加得到,不是必须经过非线性作用。      

局部凸起对可压缩平板边界层稳定性的影响

在采用直接数值模拟(DNS)方法计算得到来流马赫数为4.5的带局部凸起的可压缩平板边界层基本流的基础上,基于线性稳定性理论(LST) 进行稳定性分析,通过求解扰动方程研究了不同频率的扰动波与不同高度的局部凸起的相互作用,定义了穿透系数来研究局部凸起对流动稳定性的影响.研究结果表明:当局部凸起高度小于0.2个边界层厚度时局部凸起对来流的影响是局部的;局部凸起使频率小于最不稳定波频率的扰动波更不稳定,对频率大于最不稳定波频率的扰动波有稳定作用,其中最不稳定波频率是指局部凸起中心位置处平板边界层中第2模态最不稳定波的频率;穿透系数定量刻画了局部凸起对稳定性的影响,高度为0.2个边界层厚度的局部凸起引起e-N方法中N值的修正量达到0.8,接近转捩位置处N值的10%,在转捩预测中必须考虑.      

高超声速流场对自由流扰动波响应及边界层扰动波演化

采用高阶精度有限差分方法直接数值模拟了来流慢声波作用下的钝锥高超声速绕流瞬态流场,分析了自由流扰动波与流场的相互干扰,并应用Fourier频谱分析了边界层扰动波时域和空域演化.结果显示:弓形激波出现连续的“∽”变形,初始扰动被显著放大,边界层内外扰动模态存在明显差别.从空域(沿流线)演化来看,在球头附近低频扰动为主导模态,出了球头区,总扰动模态中的低频和高频成分比例迅速转变,高频模态成分显著地增大.至流场下游,大部分低频分量衰减,或者不再增长,边界层内仅存在特殊频率的不稳定波快速增长.从时域演化来看,比起其他模态,主导模态的发展对上游激励的依赖更大.无论时域还是空域演化,都存在模态竞争现象.      

基于改进干扰观测器的稳定平台扰动抑制技术

航空遥感稳定平台可被应用于资源勘查、地理测绘等领域，可用于隔离载体飞行过程中相机的视轴抖动。由于装配等原因，稳定平台自身也会存在不平衡力矩、摩擦等干扰，这些干扰将影响稳定平台的视轴稳定精度。介绍了上述扰动对稳定平台的影响，并分析了这些扰动的形成原因。为了抑制这些扰动对稳定平台控制精度的影响，在基于传统干扰观测器的基础上，设计了改进型干扰观测器并将其加入到了稳定控制回路中，以形成扰动补偿控制，并对改进干扰观测器的扰动抑制效果进行了仿真分析。仿真结果表明，应用改进干扰观测器的稳定平台的扰动抑制效果明显优于传统PID控制算法，平台的稳定精度得到了进一步提高。     

超声速尾迹-剪切流的混合增强

超声速条件下燃料和空气之间的高效混合是超然冲压发动机技术上的主要挑战。基于大涡模拟和流动稳定性分析,针对超声速尾迹-剪切流动开展了混合增强方法研究。尾迹的存在改变了混合层流动的速度剖面,对流动稳定性产生了重要影响,使混合层由三维最不稳定变为二维最不稳定,最不稳定扰动波频率和增长率增大。基于流动稳定性结果引入扰动的混合增强方式依然有效,根据稳定性结果设计了波纹隔板。数值结果表明：二维波纹壁引入的扰动未能增长,不具备混合强化效果,而三维波纹壁引入的扰动能够快速增长,具有混合强化效果,且波纹壁参数越接近最不稳定扰动波参数,混合强化效果越明显。     

Linear stability analysis of interactions between mixing layer and boundary layer flows

The linear instabilities of incompressible confluent mixing layer and boundary layer were analyzed.The mixing layers include wake,shear layer and their combination.The mean velocity profile of confluent flow is taken as a superposition of a hyperbolic and exponential function to model a mixing layer and the Blasius similarity solution for a flat plate boundary layer.The stability equation of confluent flow was solved by using the global numerical method.The unstable modes associated with both the mixing and boundary layers were identified.They are the boundary layer mode,mixing layer mode 1 (nearly symmetrical mode) and mode 2 (nearly anti-symmetrical mode).The interactions between the mixing layer stability and the boundary layer stability were examined.As the mixing layer approaches the boundary layer,the neutral curves of the boundary layer mode move to the upper left,the resulting critical Reynolds number decreases,and the growth rate of the most unstable mode increases.The wall tends to stabilize the mixing layer modes at low frequency.In addition,the mode switching behavior of the relative level of the spatial growth rate between the mixing layer mode 1 and mode 2 with the velocity ratio is found to occur at low frequency.     

局部扰动对平板边界层流动稳定性影响的研究

在壁面上构建局部扰动,数值研究不同特征的局部扰动对平板边界层流动稳定性影响的作用机理,进一步探讨壁面扰动的分布、类型、强度大小对三维扰动波在平板边界层流动中的非线性演化规律以及失稳机制的问题.确定什么样的局部扰动能使三维扰动波快速增长或者是什么样的局部扰动能对流动起抑制的作用,同时寻求在三维扰动波向下游发展过程中的传播方向会发生怎样的变化等.对该问题的深入研究,将使人们能深入理解认识平板边界层流动过程中的转捩发生、流动失稳及湍流形成的理论机制.     

超声速粘性剪切流空间稳定性对称紧致差分数值分析

用一类高精度对称紧致差分格式数值离散一阶改型三维可压粘性扰动方程,对导出的非线性离散特征值问题采用二阶修正Ｎｅｗｔｏｎ－Ｒａｐｈｓｏｎ边值迭代局部解法,实现了超声速剪切流的线性空间稳定性分析。基于对流Ｍ数、Ｒｅ数、速度比、密度比等参数研究,讨论了压缩性效应、粘性效应、超声速扰动快／慢模态等,结果显示超声速粘性剪切流的弱不稳定性同多种影响因素密切相关。     

A study on turbulence transportation and modification of Spalart–Allmaras model for shock-wave/turbulent boundary layer interaction flow

It is of great significance to improve the accuracy of turbulence models in shock-wave/ boundary layer interaction flow. The relationship between the pressure gradient, as well as the shear layer, and the development of turbulent kinetic energy in impinging shock-wave/turbulent boundary layer interaction flow at Mach 2.25 is analyzed based on the data of direct numerical simulation(DNS). It is found that the turbulent kinetic energy is amplified by strong shear in the separation zone and the adverse pressure gradient near the separation point. The pressure gradient was non-dimensionalised with local density, velocity, and viscosity. Spalart–Allmaras(S–A) model is modified by introducing the non-dimensional pressure gradient into the production term of the eddy viscosity transportation equation. Simulation results show that the production and dissipation of eddy viscosity are strongly enhanced by the modification of S–A model. Compared with DNS and experimental data, the wall pressure and the wall skin friction coefficient as well as the velocity profile of the modified S–A model are obviously improved. Thus it can be concluded that the modification of S–A model with the pressure gradient can improve the predictive accuracy for simulating the shock-wave/turbulent boundary layer interaction.     

DNS/LES方法在剪切湍流模拟中的应用

提出采用DNS/LES混合方法进行自由剪切类混合流动湍流研究,该方法兼顾了直接数值模拟(DNS)方法在转捩线性范围内的高精确度模拟和大涡模拟(LES)方法在转捩非线性及全湍流区的高效模拟两方面优点,通过对低对流Mach数流场计算表明该方法可以较好地模拟流场的转捩过程.同时,文中还对比实验分析了湍流场对光学传输效应的影响,给出了与实验一致的结论.