分布式粗糙元对高超声速边界层不稳定性的影响试验

高超声速边界层转捩是空气动力学亟须研究的关键问题之一。飞行器表面的热防护系统会由于高温烧蚀产生宏观分布式粗糙元形貌,但是目前该宏观烧蚀形貌对高超声速边界层内不稳定波演化机制的影响尚不明晰。基于华中科技大学?0.5 m马赫数6 Ludwieg管风洞,利用高频压力传感器（PCB）和红外热像仪等测量手段,重点研究了分布式粗糙元布置位置和宽度对零攻角下7°半张角尖锥模型高超声速边界层不稳定波演化特征和转捩位置的影响。试验结果表明,将分布式粗糙元布置于同步点之前会促进第二模态不稳定波的演化,且越靠近前缘位置粗糙元宽度因素对下游不稳定波演化影响越小;但随其分布位置向下游移动,促进转捩作用减弱,对不稳定波的非线性交互抑制效果更为明显,转捩位置随之后移。     

用声激发扰动控制边界层转捩

本文对声激发控制边界层转捩问题在低湍流度风洞中作了进一步实验研究，实验成功地证实边界层的人工转捩位置可以用声激发振动控制，通过比较声激发装置的传递函数，声压和固定转捩位置所需的最小输入功率优了性能较佳的声激发装置，用大功率扬声器驱动产的声扰经模型内管道及模型表面上展向一排小孔传入边界层是一种有效可行的人工转捩控制方法，测量结果表明，强迫边界层转捩所需的声扰动强度对湍流边界层的速度型及壁面剪应力影响     

平板边界层中展向波包型扰动引起的转捩

过去在平板边界层转捩及湍流的研究中,主要考虑的扰动在展向是均匀分布的,这样有利于研究,但在实际问题中扰动形式是多样的,边界层可能是三维的,扰动在展向是不均匀的。对于以往研究的扰动来说,三维平板边界层中的展向非均匀扰动是比较复杂的扰动形式,更接近自然转捩,因此研究这种扰动引起的转捩和湍流具有重要的实际意义。基于此,针对平板边界层,控制方程为无量纲化的Navier-Stokes扰动方程,时间上采用三阶精度的差分格式,空间上展向采用伪谱方法,流向和法向采用高阶精度差分格式,应用数值模拟的方法研究了小幅值和有限幅值展向波包两种情况。通过数值模拟和线性稳定性理论分析小幅值波包的演化,得到了小幅值波包的演化符合线性稳定性理论(LST);分析了有限幅值的展向波包型扰动引起的转捩和湍流,描述了物理空间和谱空间中波包型扰动的演化特征;同时针对不同展向位置进行分析,结果表明不同展向位置的转捩位置不同,但转捩过程和特征是类似的。     

RBF网络用于边界层转捩中抽吸流优化控制

 在抽吸气流控制边界层转捩问题中 ,将径向基神经网络用于抽吸流速与转捩位置间的函数关系建模 ,构造了网络结构 ,利用一组两通道抽吸流控制转捩的实验数据训练网络 ,获得了优化的网络参数。在此基础上 ,利用训练网络所获得的输入 /输出关系模型求解了最优抽吸流速。结果表明 ,RBF网络可有效地应用于边界层转捩主动控制中的系统函数关系建模。     

声激发控制边界层转捩实验研究

本文对声激发控制边界层转捩问题在低湍流风洞中进行了实验研究。展向一排九只小发声器装在表面带小孔的平板模型内。用液晶膜技术显示边界层状态,根据表面热膜信号确定强迫边界层转捩所需输入发声器的最小功率(转捩阈值)。实验结果表明:边界层转捩位置可以用内声激发扰动控制。能迫使层流边界层转捩的声扰动频率范围远比模型试验的Tollmien-Schlichting波频率范围宽。转捩阈值出现最小值的有利输入频率与发声器本身的频率特性有关。应用低脉冲比的声扰动对控制边界层转捩更为有效。多发声器之间的相互干扰对转捩阈值的影响大多数情况下是有利的,然而实验中也发现有声扰动相互抵消的不利情况。     

Breakdown过程长度及其前后边界层名义厚度的变化

采用数值模拟的方法,模拟了平板边界层的转捩过程及发展的湍流,在此基础上,研究了不同初始扰动对转捩持续时间和湍流边界层厚度影响的共性和差异.研究结果表明:在不同的波数情况下,计算得到不同的初始扰动引起的转捩的持续时间不同.在给定基本波数情况下,如果初始扰动在展向不是对称的,那么,它们引起的转捩后平均边界层厚度与转捩起始点处边界层厚度的比值δ_e/δ_b在相当长的时间内表现出相同的增长规律,这一增长规律与所加的初始扰动无关.然而,展向是非对称的表现出不同增长规律.      

纳秒等离子体激励控制翼型流动分离机理研究

为研究纳秒介质阻挡放电(NSDBD)等离子体控制翼型流动分离的物理机理,采用已建立的NSDBD唯象学模型耦合非定常Navier-Stokes方程模拟纳秒等离子体对流场的作用。使用非定常雷诺平均NavierStokes方程(URANS)和大涡模拟(LES)两种求解方法,研究纳秒等离子体激励对NACA0015翼型流动分离控制。结果表明:NSDBD等离子体激励促使边界层提前转捩,转捩对控制流动分离起重要作用;NSDBD激励开始时在翼型前缘形成展向涡,展向涡促使分离剪切层失稳并最终进入尾迹,展向涡贴近壁面运动,将外区的高能气流带入近壁区,使上翼面流场结构发生变化,然后翼型前缘流动提前转捩促使流动经过一个小层流分离泡后发生湍流再附,最终在上翼面形成稳定的附着流动。     

高负荷低压涡轮边界层转捩的实验研究

为了研究高负荷低压涡轮边界层的非定常转捩过程及雷诺数对尾迹边界层相互作用机制的影响,采用热线和表面热膜测试技术在高负荷叶栅实验台上对吸力面边界层的非定常时空演化进行了实验测试。结果表明:高负荷叶型的吸力面边界层在没有来流尾迹作用的情况下会不可避免地发生分离。分离剪切层中的K-H无粘不稳定机制主导了失稳转捩过程;来流尾迹的逆射流会与边界层相互作用,产生卷起涡结构,从而促进分离剪切层的转捩过程。边界层的分离被转捩产生的湍流条带及其后的寂静区抑制;随着雷诺数降低,分离点向上游移动11.4%吸力面弧长,分离泡的流向和法向范围扩大,尾迹引起的卷起涡结构尺度也随之变大。雷诺数通过改变分离剪切层的状态对转捩机制产生影响。     

超声速非平行边界层的非线性稳定性研究(英文)

用非线性抛物化稳定性方程(NPSE),研究超声速非平行边界层的扰动波的非线性演化过程。发展了高精度的数值方法,对NPSE进行有效求解和稳定推进。计算得到了各谐波的振幅增长曲线和不同的扰动剖面函数,特别是展示了谐波之间的非线性作用的物理特征,包括流向涡、展向涡和Λ结构的形成和演化等,以进行转捩过程的机理研究和分析。NPSE的计算结果显示了这个新方法是研究超声速边界层非线性稳定性的有效方法。     

基于IDDES方法和γ-Re_θ转捩模型的粗糙颗粒诱导高速边界层强制转捩模拟

采用γ-Re_θ转捩模型与IDDES (Improved Delayed Detached Eddy Simulation)相结合的方法对BAM6QT (Boeing/AFOSR Mach-6 Quiet Tunnel)中的马赫6来流条件下粗糙颗粒诱导转捩情况进行了数值模拟研究,通过与试验测量的压力脉动均方根值、脉动主频和边界层内的皮托压分布的定量对比及与文献中DNS (Direct Numerical Simulation)流场结构的定性对比,表明该方法可以捕捉粗糙单元诱导出的流向涡,能够模拟颗粒前缘分离激波和弓形激波之间的震荡现象,能够模拟流向涡向下游的发展失稳过程及其脉动发展过程。计算结果表明流向涡结构在粗糙颗粒下游40倍颗粒直径位置开始破碎,非定常扰动能也在该点附近增长达到最大值。粗糙单元诱导出了明显的条带涡结构,其中低速条带处于边界层上层,在向下游发展的过程中逐渐扩散至边界层外缘并耗散掉。高速条带位于边界层底部,在向下游发展的同时往展向两侧拓展,最终展向上多条高速条带接触并互相耦合,导致最后条带涡结构的破碎和尾迹区边界层的转捩。     

Numerical and experimental investigation into hypersonic boundary layer transition induced by roughness elements

In this work, the Direct Numerical Simulation(DNS) and Oil-Film Interferometry(OFI)technique are used to investigate the hypersonic boundary layer transition induced by single and double roughness elements at Mach number 5. For single roughness, the DNS results showed that both horseshoe vortices and hairpin vortices caused by shear layer instability can affect the boundary layer instability. The generation of the near-wall unstable structure is the key point of boundary layer transition behind the roughness element. At the downstream of the roughness element, the interaction between horseshoe vortices and hairpin vortices will spread in the spanwise direction.For double roughness elements, the effect of the spacing between roughness elements on the transition is studied. It is found that the case of higher spacing between roughness elements is more effective for inducing transition than the lower one. The interaction between two adjacent roughness elements can suppress the evolution of horseshoe vortices in the downstream and trigger the instability of shear layer. Thus, the transition will be suppressed accordingly.     

基于离散协同射流的翼型增升减阻方法

协同射流是一种近壁面流动的高效、低能耗主动控制技术。重点开展了一种应用离散协同射流的二维翼型增升减阻效应的数值模拟研究,分析了离散协同射流的堵塞度和喷口密集度等关键参数对流场结构、气动特性、功率消耗及能量利用率的影响效应与作用规律。在施加离散协同射流措施后,能够使翼型近壁面空间流场更有效地产生较强的相干涡结构,使得射流与主流及边界层充分混合,可显著提高同等迎角下的升力系数、明显减小阻力系数,最大升力系数提高近150%,失速攻角推迟约5°。研究表明:离散协同射流是一种显著提高翼型性能的高效流动控制方法。     

展向不同间距壁面粗糙元对近壁湍流拟序结构的影响

采用氢气泡流动显示技术,研究了壁面不同展向间距粗糙元对近壁湍流拟序结构的影响。实验中粗糙元布置在氢泡丝前,其间距按如下两种排列设置：粗糙元直径的0、1和3倍,等间距1、2和4cm;每种情况粗糙元直径均为2.3、4和6mm。基于平均流速和水力直径的流动雷诺数从14000到48000变化。实验观测了光滑壁面和粗糙元壁面的近壁湍流拟序结构条带特征。发现：对于两种不同排列,相同雷诺数和相同粗糙元间距条件下条带有量纲间距均随着粗糙元直径增大而减小,条带有量纲高度均随粗糙元直径的增大而增大;相同雷诺数和相同直径粗糙元条件下条带有量纲间距均随着展向间距增大而增大,条带有量纲高度均随展向间距的增大而减小。粗糙元壁面湍流条带有量纲间距均比光滑壁面小,条带有量纲高度均比光滑壁面大。研究结果对近壁湍流的流动控制具有重要指导意义。     

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.     

槽道壁湍流的展向振荡电磁力减阻控制的PIV研究

壁湍流主要表现为条带和流向涡为主要特征的拟序结构和间歇性的湍流猝发事件,这些都会导致壁面阻力的增加,因此,为了实现减阻,需控制或消除壁面附近的流向涡进而抑制湍流的猝发。在该研究中,利用展向振荡电磁力对槽道湍流的近壁流向涡进行控制,以达到减阻的目的;并利用PIV测试系统对其进行了实验研究,讨论了这种电磁力的减阻效果及其减阻机理。结果表明：展向振荡电磁力具有减小壁面阻力的功能,其减阻机理为展向振荡的电磁力可以使条带倾斜,在流场中产生附加的负展向涡,导致近壁区域平均流向速度梯度的减小,因此,壁面阻力减小。     

空调器室外机轴流风机内部流动的PIV研究

采用粒子图像测速仪PIV,对具有半管道式结构特点的空调器室外机轴流风机内部流场进行了实验研究,并结合实验结果分析了叶片顶部的叶尖涡和叶片出口尾缘涡的流动特性。实验结果显示在轴流风机流道内部叶顶区域存在与叶轮旋转方向相反的叶尖涡结构。叶尖涡产生于叶片前缘叶顶近吸力面侧,在流道内部与主流发生干涉后朝向周向和出口传播并逐渐耗散。叶尖涡涡心轨迹与叶顶弦长方向的夹角为10°,在叶高方向上叶尖涡的径向位置并不固定。与普通管道内部流动不同,叶片顶部与导风罩间的间隙中未捕捉到明显的叶顶泄漏涡现象。叶片出口近尾缘处30％以上叶高明显捕捉到尾缘涡结构,叶片压力面和吸力面侧的径向速度存在明显的方向变化,切向速度在尾迹区增加。     

后掠翼边界层横流不稳定性的实验研究(英文)

在西北工业大学的低湍流度风洞中,采用升华法研究有无粗糙带情况下,45°后掠翼三维边界层内的横流驻波不稳定性及其转捩模式。在未引入人工粗糙带,雷诺数为5.50×105~1.65×106范围内,模型的转捩分界始终为位于最小压力点之后的一条直线,转捩由T-S波触发。当Re≥1.38×106时,对应最不稳定横流驻波的3.5~4.0mm条纹出现在转捩的上游区域,条纹间距与线化稳定性理论的结果吻合。当Re=1.65×106时,实验证实了横流驻波扰动对前缘粗糙度的极度敏感。考虑到抑制最不稳定横流驻波就很有可能抑制后掠翼飞行器上由其主导的转捩,在机翼前缘布置不同间距的粗糙带,研究其对边界层内横流驻波的影响。当Re=1.38×106时,2.5mm间距的粗糙带有效的抑制了3.5~4.0mm最不稳定驻波,该现象为后掠翼上的转捩控制技术提供了一条新思路。此外,当6.0mm、7.0mm和8.0mm的粗糙带被引入时,条纹间隔表现为3.0mm、3.5mm和4.0mm的谐波波长。     

沟槽面湍流边界层近壁区拟序结构实验研究

应用氢气泡流动显示技术,对沟槽面湍流边界层近壁区带条结构进行了研究。通过分析流动显示结果,发现沟槽面的带条比较平坦,低速带条有较好的直线性,说明沟槽限制了流体的横向流动,增强了流动的稳定性。通过统计分析发现沟槽板湍流边界层中无量纲低速带条间距及无量纲高速带条间距均符合对数正态分布。对同种沟槽板而言,两种带条的分布特性无明显差别。沟槽板的平均无量纲低速带条间距比光滑板的要小,最多小30%,且沟槽尺寸对平均无量纲低速带条间距亦有影响。对同一种沟槽板同一位置而言,平均无量纲低速带条间距随离开壁面的无量纲距离的减小而减小,但最可几概率增大,表明沟槽板对近壁流动影响最为强烈。另外,还对低速带条与减阻特性的关系做了初步探讨,得到的沟槽无量纲高度和间距为15～18的沟槽板有较好的减阻效果。     

基于表面粗糙度的超高负荷低压涡轮叶片附面层控制

实验研究了表面粗糙度对PACKD-A低压涡轮叶型损失及附面层特性的影响.实验分别在定常来流与非定常条件下进行,非定常条件下的上游尾迹通过运动的圆棒来模拟.粗糙叶片通过在光洁叶片表面切槽,埋入砂纸制作成型.叶型损失与吸力面载荷使用气动探针与壁面静压孔结合压差传感器来测量,附面层流场使用热线探针来测量.结果表明:覆盖5.2%吸力面弦长(起始于44.3%吸力面弦长,终止于49.5%吸力面弦长),粗糙高度为8.82μm的控制方案在非定常条件下效果最佳,该方案可在整个考察雷诺数范围内(3×104~12×104)降低叶型损失;覆盖19.5%吸力面弦长(起始于30%吸力面弦长,终止于49.5%吸力面弦长),粗糙高度为20.91μm的控制方案在定常条件下效果最佳,该方案可在低雷诺数范围内(小于8×104)降低叶型损失、扩大叶型正常工作雷诺数范围,但在高雷诺数下(大于8×104),却带来了一定的额外损失.