高超声速边界层转捩特性试验探究

通过在激波风洞中开展转捩试验,选取来流马赫数分别为6和8,单位雷诺数分别为4.1×10 6m -1 、2.6×10 7m -1 和4.4×10 7m -1 的来流条件,研究马赫数、单位雷诺数以及攻角变化对钝锥边界层和平板边界层转捩位置的影响。结果表明,攻角增大使钝锥迎风面和背风面边界层转捩位置均前移,使平板边界层转捩位置也前移;钝锥边界层在低马赫数时更容易转捩,平板边界层转捩受马赫数影响在攻角有差异时有所不同;单位雷诺数的增大促进转捩,但对于钝锥边界层而言,该参数增加到试验选定的上限时,转捩位置的变化并不明显;在转捩过程中平板边界层的脉动压力系数与热流具有相同的变化趋势。试验捕捉到了第二模态扰动。     

超声速边界层转捩拟序结构大涡模拟

针对超声速边界层转捩问题，以五阶迎风和六阶对称紧致格式数值求解三维可压缩滤波Navier-Stokes方程，对马赫数4．5，雷诺数10000的空间发展超声速平板边界层的谐波扰动转捩问题进行了大涡模拟。时间推进采用紧致存储三阶Runge-Kutta方法，亚格子尺度模型为修正Smagorinsky涡粘性模型。通过入口叠加一对线性最不稳定第一模态斜波扰动的方法，得到了从线性，弱非线性扰动增长、交替A涡结构出现到演化为发卡涡的转捩过程；针对剪切层结构等现象，给出了该转捩拟序运动的详细讨论。比较显示，转捩结构及摩擦系数曲线等同理论分析吻合。     

10°尖锥气动特性边界层转捩诱导量的测定研究

本文用风洞实验的方法在国内外首次测出了１０°尖锥气动特性的转捩诱导量，包括转捩诱导法向力及其作用点，转捩诱导俯仰力矩和尖锥压心的转捩诱导量。研究结果表明，这些转捩诱导量随Ｒｅ数的变化趋势合理，具有确定的规律性。研究认为，这些转捩诱导量产生的原因是细长锥边界层转捩的不对称性。利用这些结果，可以很好地解释边界层转捩何以对细长锥的气动静稳定性和气动稳定性产生极为显著的影响以及静、动稳定性转捩诱导量之间的相关现象。此外，这个研究结果还有助于证明边界层转捩将影响物面的压力分布。本研究是在Ｍ＝５，α＝０°的流场中完成的，实验的Ｒｅ数范围为ＲｅＬ＝２．８×１０６～１３．８×１０６。     

粗糙物面引起的超声速边界层转捩现象研究

采用风洞实验和数值模拟方法研究平板表面圆柱形粗糙单元引起的M=3超声速边界层转捩问题。实验采用纳米粒子示踪平面激光散射技术（NPLS）对流动结构进行测量。共考察了1mm、2mm和4mm三个不同的粗糙度条件。采用五阶精度加权紧致非线性格式（WCNS-E-5）对风洞实验进行数值模拟和对比。实验及计算表明：粗糙元对边界层干扰后诱导了尾迹流向涡的形成,流向涡通过抬升机制产生剪切层和流向速度条带等不稳定结构;实验流动图像显示,剪切层不稳定在边界层转捩过程中起重要作用;随着粗糙元高度增加,流动分离范围和转捩区域明显扩大,转捩位置有提前的趋势。     

高超声速小钝锥边界层非对称转捩研究

在脉动能-比耗散率(ｋ-ω)两方程体系上引入边界层转捩的模型化处理方法,构建高超音速边界层流动的转捩湍流模式。基于新的转捩湍流预测手段研究发现,圆锥小攻角下转捩特性呈现非对称分布———迎风面后移而背风面前移,非对称转捩对于高超音速飞行器的表面热流特性及气动力特性影响显著。     

边界层转捩对细长锥静、动稳定性的影响

本文简要介绍了边界层转捩对细长锥静、动稳定性影响的实验情况及对结果的分析。实验马赫数M_∞=5.047。模型为一个正圆锥,半锥角θ_c=10°。以模型长为特征尺寸的自由流月R_e数的变化范围为2.2×10~6到13.3×10~6。实验表明;R_e数对细长锥的稳定性有重要的影响。主要原因是R_e数的变化将导致锥面边界层自然转捩位置的改变、因而转捩产生的诱导力矩、诱导阻尼力矩随之发生变化。当转捩发生在后体物面上时,模型的静稳定性下降而动稳定性增加;反之,当转捩发生在前体物面上时,则静稳定性增加而动稳定性下降。静稳定性随R_e数的变化与动稳定性随R_e数的变化之间呈现出对应关系。     

高超声速边界层转捩高速纹影显示

为建立适用于激波风洞边界层转捩测量的高速纹影显示技术，在Ma10条件下，采用高速纹影显示技术，研究了半锥角7°钝锥边界层中第二模态不稳定波的演变特性。试验在中国空气动力研究与发展中心超高速空气动力研究所(HAI)的FD-14激波风洞上进行。试验来流单位雷诺数为4.9×10 6 m -1 、1.6×10 7m -1 ，模型攻角0°，头部钝度有0.2 mm、0.5 mm和2 mm三种。通过对纹影图像灰度进行功率谱密度(PSD)分析得到了第二模态不稳定波的波长，对不稳定波纹影图像进行互相关分析计算了不稳定波的传播速度。基于纹影显示结果计算的第二模态波主频与PCB压力传感器测量结果符合较好，证明了纹影测量的可靠性。     

横流转捩模型参数不确定度量化分析与应用研究

为获得横流转捩模型重要参数在不同工况下对转捩结果的定量影响规律并尝试获得更加准确可靠的转捩模型预测结果,开展了基于非嵌入式多项式混沌(NIPC)方法的横流转捩模型参数不确定度量化分析、参数敏感性分析及其应用研究。不确定度量化分析方面,对基于γ-Re_(θt)模型的完全当地化横流转捩模型的重要模型参数进行了拉丁超立方抽样,通过有限参数样本的S-K低速平板和无限展长后掠翼的数值计算,运用非嵌入式多项式混沌方法,定量分析了模型参数在不同类型转捩流场中的影响效能。在应用研究方面,以不确定度与参数敏感性定量分析结果为指导,对模型参数进行了横流诱导转捩条件下的筛选与标定,在NLF(2)-0415后掠翼、6:1标准椭球体以及DLR-F4翼身组合体算例中进行了验证,标定后的模型对多个算例的三维边界层横流转捩进行了较好的预测。     

转捩诱导法向力及其对细长尖锥气动特性的影响

边界层转捩时,是否会出现诱导法向气动载荷,这是一个很有意义的问题。本文介绍了在高超音速风洞中完成的静态气动力实验与动态气动力实验,它证实这种诱导法向载荷是存在的,是边界层转捩的不对称性造成的,并对细长锥的气动特性有明显而呈规律性的影响。     

带轴对称台阶的圆锥高超声速边界层转捩试验

在Ma 6风洞内，通过高频脉动压力测试技术和基于纳米粒子示踪的平面激光散射(NPLS)技术，分别对带前向、后向轴对称台阶的圆锥高超声速边界层转捩进行了试验研究。采用功率谱密度分析和互相关计算等方法对脉动压力数据进行分析，得到了边界层中扰动波的发展规律，定量分析了第二模态波的相关参数。结果显示：两种模型中第二模态波在沿流向向下游发展的过程中，其幅值均先增大再衰减、特征频率均逐渐减小；特征频率和传播速度整体上均随雷诺数的增大而增加(后台阶模型中特征频率由100 kHz增至196 kHz，前台阶中则由 97 kHz 增至174 kHz)、波长变化规律则与之相反(后台阶中由6.35 mm降至4.54 mm，前台阶由7.35 mm降至 4.66 mm )；后台阶模型中第二模态波初次出现位置比前台阶中更靠近上游，边界层转捩位置较前台阶前移。将NPLS结果与高频脉动压力测试结果进行对比，两者吻合较好。     

Recent Advances in the Theoretical and Applied Study on Compressible Turbulent Flow over Aerospace Vehicles

This paper focused on the fundamental and applied research of turbulent flows encountered in the hypersonic flight of aerospace vehicles,which take place in the boundary layer and mixing layer.As to the plate boundary layer,LES approach has been used to simulate the flows over compression corners and incident shock waves,revealing that turbulent flows would significantly inhibit the boundary layer separation caused by shock wave-boundary layer interaction(SWBLI).The boundary layer transition over a circular cone has been analyzed through stability analysis and wind-tunnel test,by which the angle-of-attack effect in case of small angle of attack has been studied.Non-linear evolution process and secondary instability structure in the supersonic mixing layer(Mc=0.5) were initially figured out through the study of mixing layer,and knowledge of the flow control mechanism of the boundary layer and mixing enhancement mechanism of the mixing layer has been obtained through this research.Artificial boundary-layer transition technique based on subharmonic resonance has been proposed and applied to the flow control in a scramjet inlet,inhibiting the flow separation of the boundary layer while improving the inlet performance.To guarantee the mixing of kerosene and supersonic airflow in the scramjet combustor,the mixing enhancement method based on subharmonic resonance has been adopted and a concept of combustor with smooth wall and low internal drag has been proposed for ignition and stable combustion.Finally,future turbulence research and technological development of aerospace vehicles is predicted.     

一种进气道内激波/边界层干扰控制的新方法及其流动机理

针对高超声速进气道内经常存在的激波/边界层干扰现象,提出了一种基于可变形壁面鼓包的激波/边界层干扰控制概念,并对相关流动机理及参数影响规律进行了细致研究,结果表明：可变形鼓包通过其迎风侧的预增压作用,外凸段膨胀波束对反射激波的削弱作用,以及膨胀波束对边界层气流的加速作用来对激波/边界层干扰现象进行抑制;当激波入射点位于鼓包背风侧膨胀波区时,鼓包对边界层分离的抑制效果明显,并且适当增加鼓包高度可增加其抑制效果;对于鼓包迎风侧型线,在设计时应尽量采用较小的内凹段曲率,同时在外凸段上其最大曲率点应尽量与激波入射点靠拢,而对于背风侧型线的设计则应选择相近的外凸段和内凹段曲率较为合适。     

表面热膜在高超声速边界层中的应用

本文针对标准10°圆锥在不同攻角下边界层的转捩和流动分离现象进行了试验研究.在高超声速情况下,应用表面热膜试验技术测得了10°圆锥在不同攻角下的壁面摩擦应力和动态信号数据.试验研究结果表明表面热膜技术可以成功地应用到高超声速的边界层研究中.所得到的数据有助于正确理解高超声速的边界层的特性.特别是驻点线上,边界层的发展有其特殊的规律.     

Menter转捩模型在高超声速流动模拟中的改进及验证

通过压力梯度参数和湍流普朗特数的修正,对Menter等构造的低速经验关系式转捩模型进行了改进,将基于局部信息的Menter转捩模型用于高超声速流动转捩数值模拟。在多个高超声速尖锥转捩流动模拟中,对改进后模型的可靠性进行了检验,算例考核了不同壁面温度、来流湍流度、流向压力梯度等多种流动条件。结果表明,数值计算和风洞试验的壁面温度、温度恢复因子和热流等符合得较好,修正后模型较好地模拟了转捩起始位置和转捩区长度,在高超声速边界层转捩预测中具有一定潜力。     

Numerical Simulation of Unsteady Flow of Reentry Capsule

As a main tool for the lunar exploration and Mars landing project, the reentry capsule is responsible for the transportation of personnel and supplies, and it is very important to ensure its safety. The complex flow field caused by the shape of the large blunt cone makes it unstable in transonic and supersonic flight, so its dynamic characteristics need to be analyzed. This paper analyzes the dynamic characteristics of the reentry capsule by computational fluid dynamics(CFD) numerical simulation. The pitching combined dynamic derivative was obtained by simulation of forced pitching oscillation of the flight vehicle using the rigid dynamic grid; the time difference derivative was obtained by simulation of plunging of the flight vehicle using the rigid dynamic grid, too. The direct dynamic derivative was gained by negating the plunging derivative from sum. This paper simulates the pitching and plunging motion of NACA0012 air foil and hypersonic ballistic shape(HBS). The results of the simulation are consistent with the references. The Mars exploration rover entry capsule was simulated and analyzed to ensure a basis for the aerodynamic design and control of the reentry capsule.     

高超声速球锥组合体流场数值分析

用数值模拟法研究了高超声速球锥组合体的层流流场特性与热行为,给出了流场计算方法与格式。研究结果表明：球锥组合体压缩拐角在高超声速下出现流动分离,其流动特性受壁面温度的影响极大;提高壁面温度使压缩拐点处分离点位置前移,再附点位置后移,涡心位置提高,分离范围扩大,同时降低球锥组合体热流的分布,球锥组合体头部热流明显减小。