高超声速三维边界层横流转捩的数值研究

横流失稳是高超声速三维边界层转捩的主要机制。然而到目前为止,由横流失稳导致高超声速三维边界层转捩的数值研究还不多见。本文采用直接数值模拟方法计算了马赫数6、后掠角45°钝板边界层中定常横流涡的演化,在此基础上引入高频二次失稳模态,计算了二次失稳模态的非线性演化,直至湍流发生。计算结果表明:横流定常涡的非线性作用引起平均流修正,可使壁面摩擦系数曲线有一定程度的抬升。而高频二次失稳波的增长导致低频及定常扰动快速增长,促使壁面摩擦系数急剧抬升,同时饱和横流涡结构破碎,最终触发转捩发生。     

转捩模式与转捩准则预测高超声速边界层流动

对原始的k-ω-γ转捩模式和"层流+转捩准则"模型进行了改进,在2种方法中分别增加了横流模态时间尺度和横流转捩准则用于预测横流失稳诱导转捩。通过对网格预处理可并行计算获得边界层外缘信息以及边界层内横流速度。采用不同雷诺数条件下的0°攻角尖锥以及HIFiRE-5外形对2种方法预测高超声速边界层转捩的性能进行了比较分析。研究结果表明,2种方法均能正确反映高超声速边界层转捩起始位置和转捩区长度随雷诺数的变化趋势,但不能捕捉转捩区热流峰值;"层流+转捩准则"模型计算得到的传热系数在全湍流区较k-ω-γ转捩模式偏高。对于同时存在流向不稳定和横流不稳定的HIFiRE-5外形,改进的k-ω-γ转捩模式和改进的"层流+转捩准则"模型相比于原始的模型均能更加准确地预测中心线两侧横流失稳诱导形成的转捩;对于中心线附近因速度剖面拐点引起的边界层转捩,"层流+转捩准则"模型由于与边界层厚度相关,预测得到的转捩位置较试验结果靠前,k-ω-γ转捩模式与试验结果吻合很好。     

高超声速边界层转捩研究现状与趋势

在过去15年间,随着高超声速技术快速发展,边界层转捩也得到了更加广泛和深入的研究。人们对流向行波失稳、横流失稳、G9rtler涡失稳等转捩机理取得了较深刻认识,发展了可供工程设计的转捩判据、eN方法和转捩模型等转捩预测方法,建设了高超声速静风洞,并努力改善大口径常规风洞的流场品质,显著提升了地面风洞的转捩模拟能力和测试能力。未来,边界层转捩研究仍将紧跟高超声速飞行器发展趋势,在模型上更加关注椭锥和裙锥等外形;在机理上用PSE和DNS研究Mack模态与横流模态、G9rtler涡模态、流动分离的共同作用;在预测方法上发展基于PSE的eN方法、专用的转捩判据和更物理的转捩模型;在试验能力上进一步提高静风洞来流雷诺数和喷管口径,降低常规风洞背景噪声,发展点-面结合的转捩测试技术和时空高分辨率的流动显示技术。     

高超声速三维边界层转捩数值研究进展及预测软件

高超声速边界层转捩问题已经成为飞行器设计需要考虑的一个关键因素，也是高超声速流动研究的热点和难点。三维边界层中存在横流、流向涡、接触线三种典型的流动结构和失稳特征，他们诱导转捩的机理不同。本文总结了低雷诺数湍流、γ-Re_θt、k-ω-γ、层流动能4种常用转捩模型的构造、适用性及应用情况，介绍了适用于三维边界层的BiGlobal、 PSE3D、 TriGlobal三种全局稳定性分析方法，分析了基于转捩预测e^N方法的e Malik、 LASTRAC、 LILO、HyTEN等转捩软件的优缺点，展望了高超声速三维边界层转捩研究及软件开发的未来。     

高超声速边界层基频二次失稳条纹结构的稳定性

近年来在高超声速边界层的直接数值模拟和静风洞实验研究中,相继发现了边界层转捩前出现的典型基频模态二次失稳现象,其主要成分为流向条纹结构.全文以高超声速平板边界层为研究对象,采用线性稳定性分析和二次稳定性分析的方法,对边界层内条纹结构的产生机制和无黏稳定性特征进行了研究.结果表明:首次失稳扰动幅值对二次失稳类型有影响.当首次失稳扰动幅值较大时,基频模态占主导,其主要成分为条纹结构,表现为流向涡.该条纹结构存在着多个无黏失稳模态,其中低频模态对应于第一模态在三维边界层内的扩展,高频模态对应于可压缩的第二模态.这一研究成果为进一步开展高超声速边界层转捩机制研究奠定了基础.     

基于全局线性稳定性分析的翼尖双涡不稳定特征演化机理

相比于机翼产生的孤立翼尖涡，加装小翼之后的翼尖涡表现出双涡甚至多涡结构，并且呈现出更加复杂的不稳定特征。为揭示翼尖双涡结构不稳定特征及其演化机理，采用体视粒子图像测速（SPIV）技术和全局线性稳定性分析（LAS）方法对不同雷诺数和攻角下带双叉弯刀小翼的M6机翼产生的翼尖涡结构在尾迹区的不稳定特征进行研究。试验结果表明，对称布置的双叉弯刀小翼产生的翼尖涡包含上/下小翼产生的主涡（上/下主涡）结构，两者构成近似等强度的同转涡对，在相互靠近的同时以20 rad/s的角速度相互缠绕。对上/下主涡瞬时涡核位置的统计分析表明，翼尖涡摇摆幅值随流向位置逐渐增大，随雷诺数的增加而增大，随攻角的增加先增大后减小。对16倍弦长的尾迹截面处的翼尖双涡结构进行全局时间稳定性分析，不同工况下，上/下主涡最不稳定模态（模态P/模态S）的稳定性曲线变化规律与摇摆幅值的变化规律相一致，表明翼尖涡的摇摆源自于其内在的不稳定性特征。增加流向扰动波数，发现模态P切向波数逐渐增加；而模态S则是径向波数逐渐增加。不同工况下，模态P的切向波数为5~6，扰动波数分布在[2.75，5]的区间内，所对应的不稳定放大率均大于模态S，而不稳定放大率最大的模态扰动范围作用在上主涡的整个涡核区域，表明这种大切向波数的扰动模态在翼尖涡流控中的潜在价值，也意味着加装小翼会增加涡结构的个数，增强不稳定性的发展，有助于翼尖涡的快速失稳衰减。     

小攻角高超声速钝锥边界层失稳特性

利用高阶紧致格式,采用直接数值模拟(DNS)和线性稳定性(LST)分析方法,对高超声速边界层的失稳机制和转捩特点进行了研究.通过对马赫数为6的2?攻角高超声速钝锥边界层的稳定性分析发现:小攻角高超声速钝锥边界层存在多枝不稳定模态;周向速度使钝锥的稳定性特征与不考虑周向速度时有本质的差别;转捩线在接近背风面处出现拐折现象是由失稳模态发生转换引起的.      

超声速小攻角下的圆锥转捩攻角效应

采用高阶差分格式求解三维可压缩滤波Navier-Stokes方程,对超声速零攻角和小攻角圆锥边界层转捩进行了空间大涡模拟研究.在三维Tollmien-Schlichting(T-S)波扰动作用下,计算得到了流场非定常转捩过程.计算结果清晰地展现了非定常大尺度结构演化特征和攻角效应引起的非对称转捩现象,流场发卡涡、横流涡等转捩主控大尺度结构与实验一致.     

高超声速进气道强制转捩流动的大涡模拟

吸气式高超声速飞行器常在进气道边界层内布置粗糙颗粒或涡流发生器强制流动转捩为湍流以确保发动机正常启动。为了清晰认识强制转捩过程,采用隐式大涡模拟方法,对强制转捩问题开展了数值模拟研究。针对钻石形和斜坡形涡流发生器,计算得到涡流发生器诱导的流动结构,显示出强制转捩流动由涡流发生器产生的反向旋转流向涡对主导。扰动沿流向增长和发展,导致流向涡对以偶模式或奇模式失稳,偶模式失稳产生对称形式的涡对破碎,而奇模式失稳则导致非对称（弯曲）形式的涡对破碎。流向涡对破碎后产生一系列发卡涡并最终促使边界层转捩为湍流。最后就计算网格和数值耗散对隐式大涡模拟结果的影响以及计算的收敛性进行了讨论。     

高超声速边界层转捩研究现状与发展趋势

高超声速飞行器边界层容易经历层流/湍流转捩,层流流动和湍流流动在摩擦阻力、热交换、噪声和掺混等方面有巨大差别,转捩问题已成为制约高超声速技术突破的基础科学问题之一,是当前国际学术研究的热点与难点。本文详细分析了国内外高超声速边界层转捩研究现状,并将其归为三类:已知主要原因的现象与规律、已知部分原因的现象与规律、未知或矛盾的现象。其中已知主要原因的现象与规律包括壁温、马赫数和噪声影响;已知部分原因的现象与规律主要有头部钝度、熵层和攻角影响;未知或矛盾的现象主要有单位雷诺数影响、转捩区长度、转捩区摩阻和热流分布等。同时介绍了高超声速边界层转捩影响因素研究、转捩机理研究、转捩预测方法及模型研究、促进/推迟转捩的控制方法研究、以及一些公开的飞行试验等方面的进展。最后指出,在今后的高超声速边界层转捩研究中,建议把单个影响因素独立出来研究,尽量避免多因素相互干扰;高超声速边界层失稳研究需要特别关注横流失稳、熵层和模态相互作用;转捩预测需考虑三维边界层和来流扰动的影响;转捩控制研究应重点关注高效、低阻、低热的控制方法;转捩飞行试验十分重要,飞行试验和静音风洞发挥的作用会越来越明显。过去60多年的研究经验表明在未来的研究中应该注重多种手段相结合。     

基于线性稳定性分析的翼尖涡摇摆机制

在涡不稳定性特征的影响下，翼尖涡会在尾迹中发生摇摆运动。为了揭示翼尖涡摇摆的本质原因以及发展机理，采用体视粒子图像测速（SPIV）技术和线性稳定性分析方法对不同雷诺数和迎角下NACA0015等直翼产生的翼尖涡在尾迹区的不稳定性特征及发展进行研究。结果表明：在1~6倍弦长的尾迹区内，翼尖涡存在摇摆现象，摇摆幅值随流向放大，且摇摆运动沿流向逐渐呈现出各向异性特征；在大迎角条件下，翼尖涡摇摆幅值随流向增长更快。采用线性稳定性分析方法，定量化分析翼尖涡的稳定性、空间/时间不稳定性放大率和扰动频率随流向的发展过程。结果显示，在雷诺数2.1×10⁵~3.5×10⁵范围内，翼尖涡均处于临界稳定状态，扰动频率为3~5 Hz。基于线性稳定性分析结果，发现在大迎角条件下翼尖涡时间/空间不稳定性放大率更大，解释了当迎角增大时翼尖涡摇摆幅值随流向增长更快的现象。另外，由线性稳定性分析得到的最不稳定模态显示翼尖涡的横向速度扰动具有明显的方向性，从而诱导翼尖涡产生摇摆运动；速度扰动方向的周期性变化则使翼尖涡摇摆区别于一维的随机振荡，而是表现为在各方向均含有分量且具有主频的摇摆运动。这种由不稳定性导致的速度扰动是翼尖涡摇摆的内在机制，其不稳定性放大率控制着摇摆幅值的增长速率，而其横向速度扰动的方向性与周期性则决定了翼尖涡的摇摆特征。     

Experimental investigation of boundary layer transition over a delta wing at Mach number 6

An experimental study on the boundary layer transition over a delta wing was carried out at Mach number 6 in a quiet wind tunnel. The Nano-tracer-based Planar Laser Scattering (NPLS) and Temperature-Sensitive Paints (TSP) techniques were used to measure the fine flow field structure and the wall Stanton number of the delta wing. The influence of factors such as the angle of attack and the Reynolds number was studied. The following results were obtained. The boundary layer transition between the leading edge and the centerline was dominated by the crossflow instability. At the location of the initial appearance of the traveling crossflow waves, the Stanton number began to rise. The Stanton number reached a maximum when the crossflow waves were broken up to turbulence. Increasing the angle of attack increased the spanwise pressure gradient at the windward side of the delta wing, thereby increasing the crossflow instability and advancing the boundary layer transition front. However, increasing the angle of attack caused the transition front to move backward at the leeward side. In addition, the sensitivity of the boundary layer transition to the Reynolds number varied with the angle of attack and the region.     

Overview of the self-sustaining mechanisms of wall turbulence

This paper reviews the ideas about why wall turbulence is self-sustaining. The paper is to distribute this information to fluid dynamists who are nonspecialists in turbulence. The production of turbulence and Reynolds stress centers on vortices and “streaks” of low speed fluid near the wall. There are two main categories of self-sustaining mechanisms. In one category, parent vortices interact with the wall and produce offspring vortices. In the second category, workers view the mechanisms as instabilities. Streak velocity profiles, profiles where low velocity fluid has accumulated in long streamwise regions of small spanwise extent, are unstable. These regions are caused by streamwise vortices in the near-wall region. The most dangerous perturbation is a sinuous streamwise mode. The mode may be a normal mode or a transient-growth mode. Ultimately the nonlinear development produces a streamwise vortex. In turn, the vortex can reproduce the streak profile. A third category is based on a common mathematical approach. The goal is to construct a low-order dynamical system of differential equations that display the elemental processes of turbulence.     

Experimental and numerical investigation of threedimensional vortex structures of a pitching airfoil at a transitional Reynolds number

This research examines the vortex behaviors and aerodynamic forces in dynamic stall phenomena at a transitional Reynolds number(Re = 90000) using experimental and numerical approaches.Periodic sinusoidal pitching motion at two different reduced frequencies is used to achieve the dynamic stall of a NACA 0012 airfoil.Several leading edge vortices form and detach in the dynamic stall stage.The flow then quickly transitions to a full separation zone in the stall stage when the angle of attack starts to decrease.There is discrepancy between the phaseaveraged and instantaneous flow field in that the small flow structures increased with angle of attack, which is a characteristic of the flow field at the transitional Reynolds number.The interaction between the streamwise vortices in the three-dimensional numerical results and the leading edge vortex are the main contribution to the turbulent flow.In addition, the leading edge vortex that supplies vortex lift is more stable at higher reduced frequency, which decreases the lift fluctuation in the dynamic stall stage.The leading edge vortex at higher reduced frequency is strong enough to stabilize the flow, even when the airfoil is in the down-stroke phase.     

基于升华法的后掠翼混合层流控制研究

在低湍流度风洞中针对45°后掠角NACA64A-204翼型模型,采用升华流动显示技术研究不同吸气量和不同迎角状态下混合层流控制（HLFC）对转捩位置的影响。结合热线方法测量流向速度研究扰动增长的机制。实验结果表明：萘升华流动显示技术适合用来研究HLFC方法对后掠翼转捩的影响,可以直观和准确地表示后掠翼上的转捩位置;在无吸气的情况下,随着迎角从-6°到2°增大,层流区长度先增大后减小;HLFC方法可以显著推迟由横流不稳定触发的转捩;在同一迎角下增加吸气量,可以更有效地减小主要扰动波的能量。     

低雷诺数下50°后掠三角翼的旋涡流动

采用数值模拟和流动显示的方法研究了50°后掠角三角翼在低雷诺数下的旋涡流动,结果表明:低雷诺数下,非细长三角翼在5°攻角时就形成了稳定的前缘涡,较小攻角时前缘主涡就开始破裂,并观察到泡型和螺旋型两种旋涡破裂方式。另外,在一定的攻角范围内,前缘主涡的外侧又生成一对新的集中涡,构成双涡结构;随着攻角的增大,前缘涡涡核不断升高,主再附线向中心移动,二次分离区扩大。     

基于升华法实验研究后掠翼三维边界层的转捩

在西北工业大学的低湍流度风洞,采用升华法研究不同雷诺数下后掠翼上表面的转捩现象。实验发现雷诺数较低时,后掠翼上的转捩由流向不稳定触发,转捩位置在最小压力点之后,转捩分界为一条直线;当雷诺数足够大时,转捩由横流驻波不稳定触发,转捩提前到最小压力点之前,转捩分界呈现尖楔形状。该结果表明升华法不但能够较准确地分辨出后掠翼上的转捩位置,还能够区分不同的转捩机理,判断转捩是由流向不稳定还是横流驻波不稳定触发。此外,实验中还发现在横流驻波不稳定增长较大时,升华法能够提供转捩上游区域边界层内的横流不稳定信息;当横流驻波不稳定进一步增强时,该不稳定受模型表面粗糙度的影响较大,萘的喷涂有可能会影响到升华法的结果。     

大负荷低压涡轮叶型分离转捩流动的大涡模拟

应用动力模式大涡模拟数值方法,对来流无扰动、不可压、雷诺数为5×104(基于进口速度和轴向弦长),定常来流条件下大负荷低压涡轮叶型(Pak B)叶型吸力面非定常分离转捩流动进行了三维数值模拟。在与相关实验数据的对比基础之上,对非定常流动物理信息进行了详细的分析讨论,揭示了计算来流状态下的Pak B叶型吸力面非定常分离转捩流动机理。结果表明,由无粘Kelvin-Helmholtz机制产生的、空间线性增长的初始二维不稳定性在分离剪切内诱导展向旋涡形成并脱落,脱落过程中的展向涡在非线性增长的三维不稳定性作用下发生变形并最终破碎成湍流。计算得到的Kelvin-Helmholtz不稳定性特征频率处于相关实验测量范围内。     

自由剪切层中的三维不稳定性

本文是在文[1]的基础上研究自由剪切层中由Kelvin-Helmholtz不稳定波发展而形成的展向大涡结构的三维不稳定性。以大涡结构为基本流动,将稳定性分析归结为二维特征值问题,用pseudo spectral(伪谱)方法数值求解。研究发现:在没有亚谐波存在的情况下,大涡结构的最不稳定的扰动波是流向波长和其相同。展向波数较高,有对流特性的三维扰动波。它在剪切层中的发展与展向涡量的分布有关,大涡结构的涡核不稳定性和辫子不稳定性是流向涡形成的主要力学机制。本文还给出了不同雷诺数下三维扰动波增长率与展向波数的关系,这些结论与实验及数值模拟结果基本一致。