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.      

分布式粗糙度对马赫数为4.5的平板边界层稳定性的影响

采用数值模拟求解Navier-Stokes(N-S)方程的方法研究了小幅值分布式粗糙度对马赫数为4.5的平板边界层中扰动演化的影响.用泰勒展开线性化的办法将边界条件取在光滑平板壁面上,来模拟小幅值分布式粗糙度.研究了粗糙度及扰动的不同因素对边界层扰动演化的影响,其中包括粗糙度高度、波长、粗糙度区域的长度及扰动波频率等.研究结果表明:分布式粗糙度通过改变边界层基本流场影响扰动波的幅值演化,一定幅值的分布式粗糙度会使粗糙度区域前的不稳定区向低频移动,使粗糙度区域后的不稳定区向高频移动.从总体效果上看,对于通过粗糙度时,靠近中性曲线下支界相对低频的扰动,粗糙度会抑制其幅值的增长;对于靠近中性曲线上支界相对高频的扰动,粗糙度会促进其幅值的增长.      

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.      

钝体头部边界层特征谱分析和转捩途径预测

利用线性稳定性理论,分别对钝头体高超声速绕流边界层中的亚声速区域、跨声速区域和超声速区域的特征谱进行了系统分析.结果表明,根据线性稳定性理论,所分析的各速度范围流场,对所有单频波的扰动都是稳定的.但随速度的增加,稳定波的衰减率越来越低;随激波到物面距离的增加,s族扰动波相速度的实部向无量纲速度1靠拢,说明头部主激波的作用在一定意义上与平面槽道流动的上壁面相似;研究工作还表明,流场中存在着低衰减率扰动波,且无论那个速度范围内的流场,其最低衰减率扰动波的相速度实部都在0.7左右.根据钝头体特征谱分析,本文可能发生的"bypass"型转捩机理进行了理论分析,提出了几条可能的"bypass"型转捩途径.     

动态微涡流发生器对激波/边界层干扰的影响研究

本文基于OPENFOAM数值仿真平台,采用动态网格技术和湍流离散涡(DES)模型,研究了微涡流发生器以一定速度向下游移动时,激波/边界层干扰(SWBLI)流场特性的变化,重点关注干扰区域内的流向和展向的流场特性。来流马赫数为4,微涡流发生器向下游移动速度为0m/s,20m/s和40m/s。研究表明：当MVG向下游移动时,SWBLI区域的“弓”形高压区会演化成“双弓”形；入射激波形成高压区的压力明显降低,同时,入射激波和反射激波形成高压区的峰值位置均会向下游移动；流场下游 “双圆弧”状高压区的高度逐渐降低；SWBLI区域边界层的高度逐渐降低,同时边界层底部的速度也有所降低；随着MVG移动速度的增加,对SWBLI流场的控制效果更加明显；动态MVG对流场的控制是通过尾迹涡和波系结构实现的。     

翼型尾缘噪声源空间分布与辐射特性关系

详细研究了翼型湍流边界层尾缘宽频噪声源空间分布与辐射特性的关系.采用基于雷诺平均流场的翼型尾缘宽频预测方法研究了NACA0012翼型湍流边界层尾缘宽频噪声在4种不同工况下的噪声源空间分布与辐射特性.首先计算了NACA0012翼型湍流边界层尾缘噪声源在不同频率下的空间分布.计算结果发现:边界层中湍流是翼型湍流边界层尾缘噪声声源.随着频率的增加,噪声源强度和噪声源空间尺寸都是先增加后减小,噪声源位置不断靠近翼型尾缘.同时也计算了边界层内不同位置处的噪声源对远场噪声的辐射特性,结果表明:边界层内层区域,其噪声频谱能量集中在高频;边界层外部区域,其噪声能量集中在中低频;攻角增大或者来流速度减小,噪声能量向低频转移.      

激波边界层的相互作用对扰动波传播的影响

利用线性稳定性理论和直接数值模拟研究了带有入射斜激波的、来流马赫数Ma=4．5条件下的平板边界层的失稳特性。重点考察了在由于激波边界层相互干扰，平板边界层上形成分离区，又进而产生激波、膨胀波和旋涡等复杂流动现象的流场上游，引入小扰动的TS波后，扰动波传播通过带有这些复杂流动现象的流场时，扰动波的发展变化特点。通过对流场中扰动波（包括基本波和衍生波）演化特征的分析，研究分离和激波等复杂流动现象对平板边界层稳定性的影响特点。数值模拟发现，激波的出现不同于一般的压缩波，在亚声速区与超声速区对扰动波演化的影响是不同的，此外，分离对扰动有稳定作用。     

超声速边界层内小激波的数值模拟

本文通过有限差分计算求解了NS方程,对超声速二维平板边界层的非线性稳定性问题进行了模拟.流场的来流马赫数为4.5.平板从尖前缘开始,流场在前缘处产生一道前缘激波.数值计算模拟了边界层对成倍频关系的双频扰动波的吸收问题.通过计算发现,在一定频率下边界层内可出现小激波.计算给出了小激波的发展过程.     

高超声速圆锥边界层失稳条纹结构实验研究

边界层转捩的准确预测是高超声速飞行面临的关键气动问题之一。为研究高超声速边界层失稳和转捩机理,以前缘半径1.6mm、半锥角7°的圆锥模型为研究对象,在FD-07高超声速风洞中采用红外热图技术开展边界层转捩实验测量。通过与工程计算结果对比,确认模型表面边界层流态。实验结果表明:有迎角条件下,模型表面中后段出现条纹结构,条纹结构的起始位置随着周向角的增加而向上游移动;随着迎角的增加,条纹起始位置向上游移动,条纹强度差异和条纹与模型中心线的夹角越来越大。实验获得的条纹结构与不同频率扰动波相互作用直接数值模拟获得的条纹结构现象一致。通过对比分析,认为边界层内不同频率扰动波相互作用是产生条纹结构的一种机制。     

高超声速钝头体边界层转捩试验

为研究高超声钝头体边界层转捩以及头部钝度对转捩的影响,在FD-14和FD-14A两座激波风洞中开展了热流、压力扰动和高速纹影显示等综合测量。试验结果表明,转捩雷诺数关于钝度雷诺数的变化显示出转捩反转的趋势。压力扰动的功率谱密度（PSD）分析结果以流向离散分布云图形式显示,边界层高速纹影图像显示了第二模态波的发展、湍流的生成和熵层对边界层结构的显著影响。大头部钝度带来的强熵梯度熵层流动对边界层压力扰动频谱特性和流动结构影响显著,在转捩反转机理中起到重要作用。此外,马赫数对转捩的影响不容忽视。     

高精度数值方法在DNS中的应用

利用不同格式模拟扰动波在平板边界层中的传播,考察了格式对T-S波传播过程计算结果的影响。研究了不同计算格式对自由剪切层扰动波增长的影响,结果表明:对于二维扰动波模型,采用二阶精度格式,扰动波在平板边界层中只能出现衰减的结果;在自由剪切层中,虽然能模拟出扰动波在传播过程中幅值的增长,但却在相当长的计算范围内看不见三维波的出现。但对于同样的扰动模型,如果采用高精度格式,在边界层中能出现增长的T-S波,并与线性理论非常吻合;在自由剪切层中,扰动波不仅迅速增长,并能在不很长的距离内,明显的看到三维波的出现,并激发出了三维结构。      

后掠翼可压缩三维边界层稳定性计算

采用可压缩线化稳定性理论对后掠机翼的层流边界层稳定性进行了计算研究。对三维边界层中三维扰动波的可压缩稳定性方程组特征问题采用相关两步格式求解。与常用的初值法相比,具有不需预估特征值和快速收敛的特点。为得到渐近边界条件的准确表达式,导出了外边界上方程的解析解,这对精确的特征值计算和分析至关重要。为避免出现伪不稳定模态,选择了合适的稳定性方程组形式。最后,通过层流控制机翼和自然层流机翼的算例,研究了后掠翼上典型Tollmien-Schlichting(T-S)型扰动和横流(C-F)扰动稳定性问题,其结果与已有计算结果符合甚好。     

局部抽吸对边界层流动稳定性的影响和控制研究

在边界层壁面上,设计局部抽吸结构,采用直接数值模拟的方法,获得稳定的三维基本流.在此基础上,研究稳定及最不稳定的二维扰动T-S波的时、空演化机制;进一步探讨了局部抽吸的形式、强度大小及分布结构对二维T-S波的非线性演化影响及其对增长率的贡献大小.结果表明,局部抽吸结构诱导产生的三维基本流是扰动波得以快速增长的一个关键性因素,这是由于平均流剖面的改变及展向速度的出现,增强了流体运动中的不稳定性、扩大了中性曲线的不稳定区域范围.在最不稳定的二维扰动T-S波的非线性演化过程中,由于非线性作用的不断增强,逐渐激发产生出三维扰动波及高次谐波,其三维扰动波的流向波数和频率与二维扰动波的流向波数和频率相同;同时展向速度的大小对二维扰动波的增长、流动的失稳、流向涡的形成等方面都起着激励的作用.随着时、空的不断发展和非线性作用的迅速加强,正、负相间的流向涡逐渐形成,强度逐渐增大,流向涡的影响区域也在不断扩大,涡的形状逐渐拉伸变长,并出现强的剪切层,流动开始失稳等其它机制;这些结论与文献[4、5]的结果相吻合.     

恒热流斜板自然对流边界层的稳定性研究

对恒热流条件下的斜板自然对流边界层的稳定性进行了分析及数值模拟.研究发现在一定的倾角和Prandtl数范围内,三维波可存在两种不稳定模态,其临界频率分别接近于重力内波和二维T-S(Tol-mien-Schlichting)波的频率.更为特殊的是,在适当条件下该三维波模态可比二维T-S波更不稳定.这一看似违反Squire定理的结果是由于控制方程中的浮力项造成的.数值模拟初步验证了三维波的临界特性.由于稳定性总是同层流至湍流的转捩过程密切相关,计算结果可为高效换热翅片的设计提供理论依据.      

一种修正的Osher通量在高阶WCNS中的特性

将一种基于多维修正的Osher通量运用于高阶加权紧致非线性格式(WCNS)中,该修正通量主要在垂直于激波面的界面上增加耗散,能够改善Osher通量的激波捕捉稳定性,同时对边界层和接触间断的分辨率影响非常小。对修正的Osher通量在高阶WCNS中的特性进行研究,通过数值模拟测试了基于Osher通量的WCNS的激波稳定性、热流预测精度、边界层模拟能力、激波边界层干扰模拟能力,并与Steger-Warming通量和Roe通量进行了对比。结果表明修正后的Osher通量比Harten修正的Roe通量具有更好的激波捕捉鲁棒性,而边界层、驻点热流值和激波边界层干扰的模拟则明显优于Steger-Warming通量。上述结果说明了基于修正的Osher通量的高阶WCNS具有较好的激波捕捉特性、热流预测精度和边界层计算能力。     

Feedback control of boundary layer Tollmien-Schlichting waves using a simple model-based controller

The attenuation of spatially evolving instability Tollmien-Schlichting (T-S) waves in the boundary layer of a flat plate with zero pressure gradients using an active feedback control scheme is theoretically and numerically investigated. The boundary layer is excited artificially by various perturbations to create a three-dimensional field of instability waves. Arrays of actuators and sensors are distributed locally at the wall surface and connected together via a feedback controller. The key elements of this feedback control are the determination of the dynamic model of the flat plate boundary layer between the actuators and the sensors, and the design of the model-based feedback controller. The dynamic model is established based on the linear stability calculation which simulates the three-dimensional input-output behaviour of the boundary layer. To simplify the control problem, an uncoupled control mode of the dynamic model is made to capture only those dynamics that have greatest influences on the input-output behaviour. A Proportional-Integral-Derivative (PID) controller, i.e. a lead-lag compensator, combining with a standard Smith predictor is designed based on the system stability criterion and the specifications using frequency-response methods. Good performance of the feedback control with the uncoupled control mode is demonstrated by the large reduction of the three-dimensional disturbances in the boundary layer. This simple feedback control is realistic and competitive in a practical implementation of T-S wave cancellation using a limited number of localised sensors and actuators.     

基于PSE的单股剪切混合流稳定性分析

将抛物化稳定性方程(PSE)方法应用到可压缩单股剪切混合流的稳定性研究中.采用并发展了适用于自由剪切流的高精度数值方法,包括六阶紧致格式、坐标变换以及渐近边界条件等,对PSE进行有效求解.通过求解相似边界层方程得到更准确的剪切层内基本流;求解线性稳定性理论(LST)控制方程得到扰动的初始条件,并通过流向空间推进方法对扰...     

马赫数为6的高超声速钝锥湍流边界层空间演化的直接数值模拟

首先求解了来流马赫数为6的零攻角高超声速钝锥边界层的层流基本流场,在选定的计算域入口引入一组有限幅值的T-S波扰动,用高精度差分格式对流动进行了直接数值模拟.引入的扰动触发了转捩,从而得到了空间模式下的湍流边界层.研究了湍流平均场与脉动场的统计特性,给出了相干结构的流动显示图,并对强雷诺比拟的结论进行了检验.     

超声速边界层转捩实验可控扰动的引入方法

通过数值模拟的方法,研究了在二维平板超声速边界层中,由壁面处安装的激振薄膜引入的扰动的演化过程.主要得到了如下结论:由激振薄膜引入的扰动能很快演化成标准的T-S波,但扰动的各物理量的演化为T-S波的速度并不相同,即各物理量并不同时形成T-S波,速度最先形成,而温度最晚.在相同的条件下,由不同激振形式或不同宽度的薄膜引入的扰动的演化速度基本相同.