超声速膨胀角入射激波/湍流边界层干扰直接数值模拟

为了揭示膨胀效应对激波/湍流边界层干扰区内复杂流动现象的影响规律,采用直接数值模拟方法对来流马赫数2.9、30°激波角的入射激波与10°膨胀角湍流边界层相互作用问题进行了数值研究。系统地探讨了激波入射点分别位于膨胀角上游、膨胀角角点和膨胀角下游3种工况下膨胀角干扰区内若干基本流动现象,如分离泡、物面压力脉动及激波非定常运动、湍流边界层统计特性和相干结构动力学过程等。结果表明,激波入射点流向位置改变对分离区流向和法向尺度的影响显著,尤其是当激波入射点位于角点及其下游区域。研究发现,膨胀角干扰区内物面压力脉动强度急剧减小,分离区内压力波向下游传播速度将降低而在膨胀区内将升高,膨胀效应极大地抑制了分离激波的低频振荡运动。相较于入射激波与平板湍流边界层干扰,入射激波流向位置改变对膨胀角再附区速度剖面对数区及尾迹区影响显著,将导致其内层结构参数升高而外层降低,近壁区内将呈现远离一组元湍流状态的趋势。此外,流向速度脉动场本征正交分解分析指出,主模态空间结构集中在分离激波及剪切层根部附近而高阶模态以边界层内小尺度正负交替脉动结构为主。低阶重构流场结果表明,前者对应为分离泡低频膨胀/收缩过程而后者表征为分离泡高频脉动。     

激波/湍流边界层干扰物面剪切应力统计特性

为了揭示激波/湍流边界层干扰区内物面剪切应力统计特性的演化规律，采用直接数值模拟方法对来流马赫数2.9、12°激波角的入射激波与平板湍流边界层相互作用问题进行了研究。通过与风洞试验数据的比较分析，验证了计算结果的可靠性。系统地探究了干扰区内物面剪切应力的典型特征，如预乘谱、概率密度分布和相干结构等。研究结果表明，分离激波的低频振荡运动对流向及展向分量的预乘谱均没有实质影响，其脉动仍以高频特征为主，低频能量变化较小。干扰区内流向剪切应力概率密度函数分布变化剧烈，分离泡内对数正态分布规律不再适用，而展向剪切应力在干扰区内与正态分布较为接近。相较于上游湍流边界层，分离泡内物面剪切应力矢量夹角与幅值的联合概率密度变化显著，峰值概率降低，峰值范围增大。此外，流向剪切应力脉动场的本征正交分解分析指出，主能量模态与分离激波的低频振荡以及下游再附边界层内的Görtler-like流向涡结构密切相关。     

展向振荡对激波/湍流边界层干扰的影响

周期振荡作为一种有效的壁面流动控制手段受到广泛关注,而其对激波/湍流边界层干扰的影响目前鲜有研究。本文采用高精度直接数值模拟（DNS）方法对马赫数2.9、12°激波入射角、强振荡下的激波/湍流边界层干扰进行了系统研究。通过与无振荡工况的定量比较,揭示了展向强振荡对干扰区内复杂流动结构的影响规律及作用机制,如分离泡尺度、物面压力脉动非定常特性、物面剪切的非定常特性及统计特征等。研究发现：在展向强振荡作用下,分离点位置提前,间歇区长度增大;同时由于分离泡内强黏性耗散的影响,展向振荡的穿透高度约为分离泡高度的4%,因而对流动结构不会产生实质影响。但展向强振荡会对壁面附近流动造成显著影响,如强振荡诱导的壁面展向速度远大于流向速度,造成流向剪切与展向剪切之间夹角的概率密度函数峰值从0°偏移到80°~90°之间。物面压力及剪切本征正交分解分析表明,展向振荡会导致模态能量从低阶模态向高阶模态转移,降低低频运动的能量占比,增强再附后Görtler涡等壁面附近旋涡结构的强度。     

侧壁约束下压缩激波/湍流边界层相互作用低频不稳定性实验研究

侧壁面约束条件下压缩激波/湍流边界层相互作用（Shock-Wave/Turbulent Boundary-Layer Interactions, SWTBLIs）呈现出区别于经典二维SWTBLIs的强三维特性，尤其是低频不稳定性问题自发现以来就受到了广泛关注，而其与下游压缩环境之间的关联性尚不明确。本文基于带侧壁约束的超声速压缩拐角构建三维受限的SWTBLIs流动，并通过自由射流风洞实验进行了系统研究，其中来流Ma∞=2.5、湍流边界层发展厚度对矩形流道宽度的占比约0.08、压缩拐角在12°~24°的宽范围内变化。通过不同压缩拐角下流场结构演化及壁面压力脉动信号谱特性的对比，揭示了侧壁面约束条件下压缩拐角对低频大尺度振荡时间-空间演化行为的影响规律和作用机制。研究发现：压缩拐角角度较小时，侧壁面约束导致的“拖尾效应”有助于延缓压缩拐角附近流动分离模式的过渡，并抑制压缩激波的不稳定性；压缩拐角达到20°及以上时，压缩拐角前沿逐渐发展为大尺度流动分离模式，侧壁面约束的角区将首先发展出能量集中的低频脉动，并逐步演化为两种峰值频率分别为约50Hz、200Hz量级的不同大尺度间歇性低频振荡叠加行为，且伴随着压缩激波形态的显著改变；两种低频振荡行为都属于SWTBLIs流场的全局性不稳定振荡，但沿着展向振荡强度差异显著，角区内的振荡强度远远高于中心主流区域。     

马赫数6柱-裙激波/边界层干扰直接模拟

高超声速激波/边界层干扰比超声速工况下具有更强的可压缩效应,再附之后会形成极高的局部力/热载荷,严重影响飞行器飞行安全。而激波/湍流边界层干扰区附近流动的三维特性使得流动更加复杂而难以预测。采用直接数值模拟对高超声速条件下的柱-裙激波/湍流边界层干扰进行了详细研究,特别是对Görtler涡结构对分离泡、物面压力和热流造成的展向差异开展了定性和定量分析。研究发现,干扰区附近的分离泡结构呈现出明显的三维效应,且Görtler涡展向分离位置截面的分离泡要明显小于再附位置,而这两个截面上分离泡的运动基本同步,没有明显的延迟或超前现象。物面压力和热流在展向出现显著的不均匀性,展向再附位置的平均压力和热流要比展向分离位置分别高13%和16.2%,脉动压力和热流比展向分离位置分别高28%和20%。截面流向速度特征正交分解结果显示两个位置上的能量都集中在剪切层附近,并且展向再附位置上低频模态占有更高的能量。在采用模态重构流场分析分离区面积发现,展向分离位置重构误差更小,而展向再附位置上的重构误差收敛更快。     

高超声速有攻角锥裙直接数值模拟

采用直接数值模拟方法对有攻角的高超声速7°～34°锥裙开展了数值研究,通过对比0°、90°、180°周向子午面,评估了三维横流效应对激波/边界层干扰的影响规律和作用机制,包括壁面压力、摩阻、热流分布,分离泡非定常运动,再附边界层演化等。研究发现,不同周向站位均出现流动分离,横流区、迎风区内复杂激波结构与边界层相互作用导致壁面压力、摩阻、热流显著升高。热流与压力的比值在干扰区上升后由于再附降低,而热流与摩阻的雷诺比拟关系在分离区则完全失效。分离泡面积脉动的功率谱结果表明,分离泡非定常膨胀/收缩运动呈低频特征,且分离泡呼吸与激波低频振荡在横流区密切相关,在迎风区存在迟滞,而在背风区不相关。速度脉动场的本征正交分解结果表明,分离区的低频特征与低阶模态相应的剪切层附近大尺度结构相关。对下游再附边界层演化分析指出,攻角的存在导致雷诺应力在再附点附近大幅增强,其流向分量的恢复最为迅速,雷诺应力分量的峰值位置在背风区沿流向持续外移,而在迎风区、横流区已迅速向内层恢复。此外,雷诺应力各向异性不变量分布进一步表明干扰下游的近壁区湍流各向异性峰值在背风区弱于迎风区。     

混合动理学通量WENO方法拓展

在马赫数2.5来流条件下，开展了高频微秒脉冲放电控制压缩折角激波/边界层干扰非定常性的风洞实验，放电位于压缩折角上游沿流向布局的6对电极之间，所选取的放电频率为14 kHz,接近于来流边界层的特征频率。采用高速纹影成像技术记录流场的动态变化，并基于纹影图像灰度值的时间序列采用平均、均方根、本征正交分解、动态模态分解、傅里叶变换等方法进行处理，对比研究有/无控制情形下激波/边界层干扰的非定常特性。研究发现，对于无控情形的基准流场，流动的低频特性表现为分离激波的振荡及边界层大尺度涡经过激波的脱落行为，中、高频特性表现为边界层小尺度涡与激波的相互作用；对于受控情形，来流边界层内的大涡尺度在放电作用下增大，大尺度涡与分离激波相互作用使得激波的振荡转变为稀疏压缩波的脉动，流经激波的边界层脉动更强，分离激波的低频振荡(10～300 Hz)有所改善。此时，流动的低频特性主要表现为边界层大尺度涡经过激波的脱落行为，而中、高频特性与基准流场相似。     

高分辨率激波/边界层干扰时间演化过程分析

在超声速风洞中开展了湍流边界层与圆柱相互作用流场研究，试验马赫数为3.4和3.8。圆柱安装在试验段底板上，安装位置的边界层为充分发展的湍流边界层，研究了圆柱直径和高度对流场结构和压力脉动的影响。采用基于纳米示踪的平面激光散射(NPLS)技术获取了流向和展向流场精细结构，激波系和马蹄涡结构均可清晰分辨。通过展向流场图像可以发现干扰区内激波与湍流结构的相互作用具有明显的非定常性。采用动态压力传感器测量了圆柱前方相互作用区域的压力脉动特性，在激波足区域压力呈现11～38 kHz的宽频分布，推测主要由激波足与涡结构相互作用及滞止区涡结构的破碎引起。随着圆柱高度的增加，激波足附近测点对应的特征频率有所降低；上游测点则发现了0～3 kHz低频区能量的增强，这主要是由分离区引起的，表明在一定高度范围内高度的增加增强了流动分离。     

压缩拐角激波与旁路转捩边界层干扰数值研究

为了研究激波与旁路转捩边界层的干扰机理,采用直接数值模拟(DNS)方法对来流马赫数Ma∞=2.9,24°压缩拐角内激波与转捩边界层的相互作用进行了系统的研究。考察了旁路转捩干扰下压缩拐角内分离区形态和激波波系结构的典型特征。比较了转捩干扰与湍流干扰流动结构的差异,并分析了造成差异的原因。研究了拐角内转捩边界层的演化特性,探讨了转捩干扰下脉动峰值压力和峰值摩阻的分布规律及形成机制。研究结果表明:相较于湍流干扰,两侧发卡涡串的展向挤压使得分离区起始点以V字型分布,且分离激波沿展向以破碎状态为主,激波脚呈现多层结构;拐角内的干扰作用急剧加速了边界层的转捩过程;转捩干扰下的拐角内峰值脉动压力以单峰结构出现在分离区的下游,同时干扰区内的强湍动能和高雷诺剪切应力使得其局部峰值摩阻系数要高于湍流干扰。     

后掠激波边界层干扰中Mach数对特性区影响的研究

 本文介绍了由后掠压缩角模型引起的激波和湍流边界层干扰的实验研究。实验雷诺数Re=2.42～2.47×10~7/m,Ma_∞=1.79,2.04和2.50。模型共15个,其后掠角变化范围是0°～60°,流向压缩角变化范围为10°～30°。实验结果表明,在本实验范围内,激波边界层干扰中的上游影响区都呈现出柱形区或锥形区特性;柱形区和锥形区之间的边界随来流Mach数减小向锥形区发展。该边界主要决定于无粘激波的形式。     

凸拐角附近激波与湍流边界层干扰的数值模拟研究

采用大涡模拟方法数值研究了来流马赫数Ma∞=3、雷诺数Reθ=2070的凸拐角附近激波与湍流边界层干扰问题。对于尖拐角和钝拐角两种情况,计算考察了激波入射到拐角下游时的流场结构、非定常分离流以及湍流统计特性。研究发现:尖拐角能够使流动产生局部集中的顺压梯度,导致壁面摩擦系数在拐角处出现峰值,因此分离点难以越过拐角向上游运动,而再附点发生前后运动。与尖拐角情况不同的是,钝拐角产生的局部顺压梯度不足以阻止分离点越过拐角,因此分离点和再附点都会发生运动。此外,尽管凸拐角产生的顺压梯度能抑制分离点附近的近壁小尺度涡结构,但在经过入射激波作用之后,近壁小尺度涡结构在再附点附近显著增强。     

Characteristics of reattached boundary layer in shock wave and turbulent boundary layer interaction

The reattached boundary layer in the interaction of an oblique shock wave with a flatplate turbulent boundary layer at Mach number 2.25 is studied by means of Direct Numerical Simulation(DNS). The numerical results are carefully compared with available experimental and DNS data in terms of turbulence statistics, wall pressure and skin friction. The coherent vortex structures are significantly enhanced due to the shock interaction, and the reattached boundary layer is characterized by large-scale...     

超声速湍流边界层中横向声速喷流的混合LES/RANS模拟

通过对超声速湍流边界层中横向声速喷流的计算,对一种混合大涡/雷诺平均Navier-Stokes(LES/RANS)模拟方法进行了测试,该方法采用一个依赖于到壁面的距离及当地湍流参数的混合函数结合两方程k-ω SST(shear stress transport)湍流模型和混合尺度亚格子模型来封闭湍流项.计算结果表明:混合模拟方法能够捕捉到喷流/湍流边界层相互干扰的非定常大尺度结构,且对分离区长度、壁面静压峰值和膨胀区静压分布的计算精度要高于RANS(Reynolds-averaged Navier-Stokes)方法.      

Direct numerical simulation of impinging shock wave and turbulent boundary layer interaction over a wavy-wall

The interaction of an impinging oblique shock wave with an angle of 30° and a supersonic turbulent boundary layer at Ma_∞=2.9 and Re_θ = 2400 over a wavy-wall is investigated through direct numerical simulation and compared with the interaction on a flat-plate under the same flow conditions. A sinusoidal wave with amplitude to wavelength ratio of 0.26 moves in the streamwise direction and is uniformly distributed across the spanwise direction. The influences of the wavy-wall on the interaction, including the characterization of the flow field, the skin-friction, pressure and the budget of turbulence kinetic energy, are systematically studied. The region of separation grows slightly and decomposes into four bubbles. Local peaks of skin-friction are observed at the rear part of the interaction region. The low-frequency shock motion can be seen in the wall pressure spectra. Analyses of the turbulence kinetic energy budget indicate that both diffusion and transport significantly increase near the crests, balanced by an amplified dissipation in the near-wall region. Proper orthogonal decomposition analyses show that the most energetic structures are associated with the separated shock and the shear layer over the bubbles. Only the bubbles in the first two troughs are dominated by a low-frequency enlargement or shrinkage.     

高温化学非平衡湍流边界层脉动量象限分析

高超声速飞行器在较低空域以极高马赫数飞行时，表面会同时存在湍流与化学非平衡流动，但目前针对此类高温化学非平衡湍流边界层流动特性的研究工作还比较有限，对不同湍流特征的主导流动机制的认识还有待于进一步深入。选取高超声速楔形体头部斜激波后的流动状态，设置3种不同的壁面温度，通过直接数值模拟对比了不同壁温条件下的边界层参数分布特性，并采用象限分解技术分析了边界层不同象限流动事件对雷诺剪切应力、湍流热流、湍流质量扩散的贡献。结果显示：在整个边界层中上抛和下扫运动对雷诺剪切应力的贡献占优；冷壁效应会使得流向和法向湍流热流通量的主导流动事件在温度峰值两侧发生改变。O原子组分流向湍流组分扩散主要受到高质量分数流体慢速运动事件和低质量分数流体快速运动事件的影响，而法向湍流组分扩散则主要受到高质量分数流体向上运动事件和低质量分数流体向下运动事件的影响。     

转捩对压缩拐角激波/边界层干扰分离泡的影响

为了研究转捩对压缩拐角内分离泡结构的影响,进行了来流马赫数2.9,24°压缩拐角激波/转捩边界层干扰的直接数值模拟（DNS）。通过在拐角上游平板的不同流向位置处添加周期性吹吸扰动激发流动转捩,使得转捩不同阶段进入拐角入口,从而在拐角内产生激波/转捩边界层的相互干扰。计算得到的平均速度剖面、壁面压力分布以及分离泡大小与风洞试验及以往直接数值模拟结果吻合较好,验证了计算结果的可靠性。研究了转捩过程对角部干扰区内分离泡结构的影响规律,分析比较了不同转捩阶段下角部分离区内湍动能的生成、耗散和分配机制。研究结果表明：转捩初期的拟序涡结构对分离泡尺度及形状影响最大,发卡涡包在角部拐点附近发生展向融合,并在角部区域形成湍流斑,此时分离泡尺度最小,形状呈现中间高两边低的山峰型。随着转捩的发展,分离区内湍动能生成和近壁区的耗散逐步降低,此时输运项起到了主要的平衡作用。