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.     

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。     

超声速/高超声速边界层转捩后期流场的模态分析

将动力模态分解(DMD)方法应用到超声速和高超声速边界层转捩后期的流场分析中,通过获得流场主要的相干结构和对模态的重构,研究了相干结构与壁面阻力和热流的关系。结果表明超声速和高超声速边界层转捩的流场结构存在明显差别。超声速转捩流场由低频流向涡的模态主导,这些模态对转捩后期的壁面阻力和热流有重要贡献;高超声速转捩流场中存在多个不同量级频率的模态,在DMD频谱上表现为多个不同的分支,通过对不同分支能量最高的模态进行考察,我们发现低频模态的结构为流向条带,高频模态的结构为二维扰动波,这些模态对壁面阻力和热流的影响与模态的结构形式类似。     

热化学非平衡高超声速平板边界层线性稳定性分析

高超声速边界层流动转捩是近期空气动力学研究的热点问题。对于环境扰动较小的自然转捩过程,稳定性分析已被证明是研究扰动演化的重要手段。另一方面,高超声速边界层内的温度会随着马赫数的升高而快速上升,极高的温度会引起所谓的高温真实气体效应,使得量热完全气体假设失效,从而对边界层稳定性和转捩产生影响。本文针对高温热化学非平衡气体,利用空气5组分模型开展了平板边界层的线性稳定性分析,重点研究了热化学过程对模态稳定性的影响,并探究了边界层离散谱模态的演化和同步过程。研究表明,对于由第二模态主导的高超声速二维边界层:(1)扰动相比基本流更趋向于热化学冻结态;(2)扰动方程中新出现的非平衡源项的扰动项对稳定性影响很小,非平衡过程主要是通过改变基本流剖面来间接影响稳定性;(3)声速是影响第二及更高模态的重要参数,热化学平衡态假设引起的声速计算式的变化能够解释边界层温度和厚度降低时第二模态频率反而降低的非常规趋势。     

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.      

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。     

平衡空气模型的流动稳定性及转捩预测

研究高超声速平板边界层考虑真实气体效应的流动稳定性问题.采用7组元化学反应平衡模型,黏度和导热系数采用混合律,同时考虑组元浓度扩散引起的能量传递,在马赫数为10~20、壁面温度为500~3500K、飞行高度为20~30.5km等条件下,对平板边界层流动的稳定性进行了分析,给出了扰动演化相对增长的N值.计算结果表明:高马赫数飞行中不稳定扰动的第3模态将与第2模态合并,共同影响转捩;高温真实气体的流动稳定性特征,随着马赫数、壁面温度、飞行高度变化的基本趋势与完全气体的基本一致;与完全气体相比,真实气体的相对增长N值包络线较小,表明高温真实气体将抑制转捩发生.      

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。     

高超声速边界层转捩的若干问题及工程应用研究进展综述

高超声速飞行器绕流存在着激波、边界层、流动分离、稀薄气体效应和高温气体效应等多种复杂流动现象的空气动力学问题,其中高超声速边界层转捩既是空气动力学的基础问题,也是高超声速流动研究的热点和难点。若能对边界层转捩进行准确预示及有效控制,则可以实现对飞行器气动力热特性的精细设计,改进飞行器性能,提高任务执行能力。文章针对工程中具有复杂外形飞行器存在的典型失稳特征进行了研究进展回顾,提出了工程实际中亟需解决的复杂边界层转捩问题,明确了高超声速边界层转捩研究的工程应用方向。文章最后还对高超声速边界层的流动控制进行了回顾,以期在今后高超声速飞行器设计中实现对边界层的流动控制,提高飞行器的飞行性能。     

高超声速边界层转捩机理及应用的若干进展回顾

高超声速边界层转捩对飞行器的热传递、表面摩阻和流动分离等有重要影响,尤其是再入飞行器和吸气式巡航飞行器。然而,人们对边界层转捩机理中的很多问题认识还不清楚,或存在争议。本文从扰动波演化的角度回顾了高超声速边界层感受性、线性稳定性和非线性作用的国内若干研究进展,并以基于谐波共振的人工转捩技术为例示范了这些机理认识在转捩控制上的应用。扰动的产生和发展是认识边界层转捩机理的核心。通过研究扰动波来认识边界层转捩机理,开展应用创新研究对提升飞行器性能具有重要意义。     

高超声速边界层转捩实验综述

高超声速边界层转捩直接影响飞行器表面的摩擦系数与热流分布,对于高超声速飞行器的气动布局以及热防护设计至关重要。尽管高超声速边界层层/湍流转捩的相关研究已经开展长达半个多世纪,但是由于高超声速流动的复杂性以及触发转捩的因素繁多,研究人员对于转捩过程的认识并不透彻,阻碍了先进高超声速飞行器的设计。地面风洞实验作为高超声速空气动力学设计的重要手段之一,在可预见的将来仍是研究高超声速边界层转捩不可或缺的方法。本文以高超声速边界层稳定性与转捩的风洞实验为重点,按照边界层自然转捩的发展过程,分别回顾了国内外在边界层感受性问题以及线性化阶段风洞实验研究的现状,文章最后总结了风洞实验在未来高超声速边界层转捩研究中的工作与意义,并针对未来的实验研究给出了几点建议。     

改进k-ω-γ转捩模式对不同雷诺数下HIAD的转捩预测

高超声速充气式柔性减速器（HIAD）在气动力作用下会变形为波纹状，从而促进流动转捩为湍流，准确预测其转捩位置和壁面热流对热防护系统的设计至关重要。拓展了分离诱导转捩预测性能的改进k-ω-γ模式，同时具备对第1模态、第2模态、横流模态以及流动分离失稳的预测能力。本文将其应用于不同雷诺数下壁面波纹变形的HIAD边界层转捩预测，并与原始k-ω-γ模式的预测结果进行了对比，以评估和验证其对复杂转捩现象的预测性能。在此基础上，细致剖析了改进k-ω-γ模式的转捩预测机制。结果表明，改进k-ω-γ转捩模式可准确预测不同来流雷诺数下HIAD的转捩起始位置、转捩阵面形态和壁面热流分布。波纹壁面波峰处的转捩预测主要由构造的分离间歇因子猝发。而在波谷位置，第1模态、横流模态以及流动分离的贡献都很重要。以上研究显示了改进k-ω-γ模式在复杂外形中的应用潜力，可为多重不稳定耦合作用下的转捩预测方法发展提供参考。     

简化三方程转捩模型在高超声速流动中的应用

在雷诺平均方法的基础上,通过耦合k_(-ω)SST湍流模型和间歇因子转捩模型,引入湍流模型和转捩模型的可压缩修正方法,对高超声速平板、双楔、尖锥三类模型边界层转捩流动开展了数值模拟研究。与实验结果的对比分析表明基于压力梯度表征参数T_w=R_(TΩ/ω)的简化三方程转捩模型,能够准确捕捉高超声速平板边界层流动的转捩起始位置、转捩区域长度以及湍流区壁面热流。而对于双楔、尖锥模型,改进前的简化三方程转捩模型由于受到流动可压缩效应的影响,边界层转捩后湍流区的壁面热流模拟预测结果明显高于实验值。在添加模型可压缩修正方法后,转捩区域长度和湍流区壁面热流模拟结果得到有效改善,与实验值吻合较好。可见,简化三方程转捩模型在添加可压缩修正方法后具备准确模拟预测高超声速边界层流动转捩的潜力。     

激波风洞边界层转捩测量技术及应用

高超声速边界层转捩对摩阻、传热等有重要影响。在高超声速飞行器研制中，迫切希望能精确预测和控制边界层转捩。激波风洞作为高超声速气动热环境试验的主要地面模拟设备，是研究高超声速边界层转捩的重要设备。但激波风洞原有测量技术适用于工程型号试验，需要依据高超声速边界层转捩特点进行适应性改造和升级。依据高超声速边界层转捩过程中的热流、压力、密度等物理参数变化，发展了薄膜热流传感器测热技术、温敏热图测量技术、高频脉动压力测量技术、高清晰度纹影显示技术等适用于激波风洞的边界层转捩测量技术。并针对头部钝度0.05 mm的半锥角7°尖锥模型，在中国空气动力研究与发展中心Ø2 m激波风洞（FD-14A）马赫数10、单位雷诺数1.2×10⁷/m的流场条件下开展了边界层转捩试验。采用多种转捩测量技术同时进行测量，获得尖锥模型表面边界层转捩情况、边界层脉动压力频谱特征、边界层内清晰的第2模态波和湍流斑纹影图像，不同测量技术获取的试验结果可相互印证，线性稳定性理论分析结果与试验结果相吻合。     

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。     

高超声速边界层流动稳定性实验研究

高超声速条件下边界层转捩相关研究是近年来空气动力学领域的研究热点。通过采用基于纳米粒子示踪平面激光散射(Nano-tracer-based planar laser scattering,NPLS)技术以及温敏漆等测试技术,对高超声速边界层的流动稳定性开展了实验研究。通过NPLS技术,对圆锥边界层中第二模态波精细结构进行了测量,并基于时间相关的测量结果,对第二模态波的波长和频率进行了分析。针对裙锥边界层NPLS结果,计算了特定位置上功率谱空间分布结果,测量得到了高次谐波成分。通过温敏漆和NPLS结果,发现主导三角翼前缘边界层转捩的模态为行进横流模态,分析了该模态的特性,并且与Kulite传感器测量得到的频率进行比较。     

应用γ-Reθ湍流模型和PSE方法研究高超声速流动

采用考虑转捩的γ-Reθ湍流模型研究了高超声速复杂流动,结合PSE(parabolic stability equa-tion)稳定性分析方法和e-N方法,通过给出边界层最不稳定点的参数,用以控制γ-Reθ的转捩经验关联式,减少对经验参数的依赖.计算了锥体高超声速流场,得到的壁面换热量和边界层转捩位置与实验吻合较好.计算了平板激波/边界层干扰和高超声速拐角压缩流场,得到了准确的波系结构、压力分布和分离区的大小.结果表明,该方法与传统湍流模型相比具有较大的优越性.     

多孔表面抑制第二模态失稳的最优开孔率和孔半径分析

多孔介质、微槽道和超声波吸声材料等可用于抑制高超声速边界层第二模态扰动波。通过声波在无穷长小管道中的传播模型给定多孔介质表面的扰动边界条件,采用时间模式的线性稳定性理论分析了多孔介质表面对边界层稳定性的影响。对马赫数6热壁平板边界层的考察表明,多孔介质表面不仅可以大大推迟第二模态扰动波的中性点,还可以大大抑制最不稳定第二模态扰动波的幅值增长率。为了找到最优控制参数,在较广的参数范围内考察了多孔介质表面的开孔率和孔半径对第二模态扰动波幅值增长率的影响,得到了最优开孔率和孔半径沿流向的分布。最后,还考察了基本流的当地非平行性(法向速度)对控制效果和最优控制参数的影响。     

HyTRV流场特征与边界层稳定性特征分析

高超声速转捩研究飞行器（HyTRV）是为研究三维复杂外形的边界层转捩问题而设计的一款具备真实飞行器典型特征的升力体标模。为支撑更加全面系统的理论分析、数值模拟、风洞试验和飞行试验研究,采用高精度数值模拟方法、线性稳定性理论（LST）和e^N方法对HyTRV标模的典型流动特征和边界层失稳特征进行了分析。研究表明,HyTRV展现出多个相对独立的横流区域和多个流向涡结构;HyTRV的边界层存在横流失稳模态、第二模态、附着线失稳模态等常见模态。横流失稳模态出现在周向高低压区之间的横流区域,能够主导转捩发生;横流区域同时也存在第二模态,其N值普遍比横流失稳模态小;附着线失稳模态呈现出第二模态特性,且频率非常高。还研究了攻角和单位雷诺数的影响。结果表明,随着攻角增加,标模下表面中心线的流向涡结构逐渐消失,横流雷诺数逐渐减小;上表面流向涡结构逐渐从腰部移向顶端,并出现新的流向涡结构。增加攻角,所有失稳模态的N值总体上逐渐减小;增加单位雷诺数,N值显著增加。基于研究结果,针对流向涡失稳、横流失稳、第二模态和附着线失稳等给出了研究建议。     

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.