凹腔对高超声速边界层稳定性的影响

凹腔广泛存在于航空航天飞行器表面，如部件安装缝隙、高温烧蚀剥离等，对边界层转捩过程具有重要影响，是飞行器气动设计需要重点考虑的因素之一。为了探究不同尺度凹腔对边界层扰动波的影响规律，本文在固定来流条件下针对不同尺度的壁面凹腔，采用线性稳定性分析和高精度直接数值模拟，研究了高超声速（Ma=5.92）和超声速（Ma=1.38）边界层内扰动波经过凹腔的演化过程。结果表明：凹腔内部存在较强的回流区，其涡结构随着凹腔尺寸的增大变得复杂。对于高超声速流动，当凹腔位于快慢模态同步点上游时会促进扰动波发展，而位于同步点附近或下游时则起到抑制作用，且当凹腔位于同步点位置时抑制效果最佳；增加凹腔尺度（宽度或深度）会强化其对扰动波的控制效果。对于超声速流动，在不稳定区间范围内凹腔总是促进扰动波增长，并且随着凹腔尺度的增加促进效果增强。当凹腔尺度超过临界值后，凹腔内流动会发生自激振荡，进而给下游边界层引入新的扰动源，促进转捩的发生。本文研究结果对飞行器表面气动设计与热防护提供了重要参考。     

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。     

一种数据驱动的气动热预示模型

高效、高精度的气动热预示是高超声速飞行器设计的关键。然而，随着高超声速飞行器外形的日益复杂化和设计周期的不断缩紧，现有方法已很难满足高效精准的气动热预示。本文基于边界层理论和支持向量机发展了一种数据驱动的当地化气动热预示建模方法。首先，通过求解Euler方程获得边界层外缘信息，采用RANS方法计算热流分布样本；然后，通过设计的特征选择方法确定边界层外缘特征；最后，利用支持向量机构建气动热预示模型，实现边界层外缘特征与壁面热流的映射。对双椭球和二级压缩面的热流预示结果表明，该模型考虑了非均匀分布壁面温度等边界条件，具有较高的预示精度和良好的外推与泛化性能，典型位置热流预示结果和RANS计算结果的相对误差均小于5%。同时，以双椭球上表面中心线热流预示为例，对比传统POD降阶方法，发现该模型的预示精度更高，外推状态下预示精度较POD方法提升了4倍以上。     

跨声速流动激波边界层干扰分离流动特征研究

基于改进延迟脱落涡（IDDES）方法，针对对跨声速流动范围内的球头锥形火箭整流罩绕流流场进行了大涡模拟/雷诺平均（LES/RANS）混和模拟。通过与国内外文献中的实验和数值模拟结果进行对比，验证了IDDES模拟能够充分捕捉到跨声速流动中激波边界层相互干扰导致的分离流动特征。模拟结果显示整流罩表面时均压力分布与试验吻合一致，脉动压力峰值位置能够准确预测。通过对分离泡区域内的速度场进行谱特征正交分解（SPOD），得到流场中的主要含能结构，以及流动结构的频谱与模态特征。结果表明激波分离泡区域主要振荡能量集中在前四阶SPOD模态，其中一阶主模态表现出明显的呼吸特征，为发展表面压力脉动的控制技术提供了新的思路。     

基于卷积神经网络的近壁流动高分辨率平均速度场预测方法

本文设计并验证了基于卷积神经网络的边界层近壁流动高分辨率平均速度场预测方法:首先采用示踪粒子图像对数据集训练卷积神经网络，通过调整神经网络参数可以预测示踪粒子在数据集上的平均跨帧位移；然后使用该卷积神经网络预测像素空间中各像素位置的单粒子位移，得到高分辨率的平均速度场信息。将该方法用于预测湍流脉动较小的边界层近壁区的平均流动，能够将空间分辨率提高到单像素精度。误差分析发现，该方法获得的测速精度略优于传统单像素系综平均互相关算法，且对粒子浓度和示踪粒子图像对数目的要求明显低于后者。     

高温化学非平衡湍流边界层直接数值模拟

高超声速飞行器在特定工况下飞行时，其表面会存在湍流与化学非平衡耦合作用，但考虑化学反应的高温湍流边界层的研究工作还十分有限。选取高超声速楔形体头部斜激波后的流动状态，分别采用热完全气体模型、空气化学反应模型开展直接数值模拟(DNS)研究，对比分析了化学非平衡效应对湍流统计量、湍流脉动量的影响趋势，并研究了高温湍流边界层标度律。计算结果表明，以吸热离解反应为主的化学非平衡效应会使边界层平均温度和脉动温度显著降低，但对平均速度剖面、速度脉动、雷诺应力的影响较小；在高温化学非平衡湍流边界层的对数区，各流动参数的拓展自相似理论的相对标度指数基本符合标度律。     

湍流边界层大尺度相干运动的阵列TRPIV测量

使用高时间分辨粒子图像测速技术，研究湍流边界层中大尺度相干运动。由于大尺度运动的流向空间尺度与边界层厚度δ有关，因此沿流向排列4个高速相机进行拍摄，得到了约6.7δ×1.2δ的湍流边界层大视场，实验雷诺数Re_τ=422。针对流场中不同法向高度的流向脉动速度，采用沿流向方向进行空间小波变换的方法，得到不同空间尺度分量的脉动速度，并计算其占总流向脉动动能的比例，发现湍流边界层外区存在流向最大能量流向尺度，约为1δ。通过小波分解将湍流脉动速度场分为大尺度分量和小尺度分量。使用速度门限法，沿时间序列提取大尺度相干运动，利用泰勒冻结假设，将时间结构转化为空间结构，并与直接从空间得到的大尺度相干结构做对比。使用相位平均法测得大尺度相干结构的几何形态，发现从时间维度和直接从空间维度得到的喷射事件的流向尺度相近，而直接从空间提取的扫掠事件要比从时间提取的大。结果表明：流场中1δ尺度左右的大尺度运动是湍动能的主要贡献者；利用泰勒冻结假设可以从时间中提取出大尺度相干结构，与从流场空间直接提取的结果有着良好的一致性。     

基于振荡式涡流发生器的激波/边界层干扰控制方法

激波/边界层干扰（Shock Wave/Boundary Layer Interaction, SWBLI）是高超声速进气道中常见的流动现象，当其诱导边界层发生显著分离时往往会导致进气道气动性能严重下降。为此，本文提出了一种基于新型振荡式涡流发生器阵列的SWBLI控制方法，采用基于动网格技术的非定常仿真方法对该涡流发生器阵列流场进行了研究，验证了该控制方法的有效性，并研究了相关参数的影响规律。研究结果表明，振荡式涡流发生器可在超声速边界层内诱导产生振荡强度可变的涡系结构，增强了边界层流动与高速主流的掺混，同时该涡流发生器振荡过程中独特的“挤压”“抽吸”效应持续对气流进行充能，边界层内速度分布饱满程度显著增加。在控制效果方面，随着涡流发生器振荡频率增加，其对边界层低速气流充能的效果增强，对SWBLI流场的控制效果更加明显，形状因子最高可以降低28%；当激波入射在涡流发生器下游34hv时（其中hv为振荡式涡流发生器最大高度），控制效果最佳，激波诱导边界层分离区长度相比无控制时可减少25%；在涡流发生器下游x=270 mm处截取高度30 mm(z=30 mm)设置为监控面，相比于定几何涡流发...     

激波/湍流边界层干扰的流动控制技术

激波/湍流边界层干扰(STBLI)是航空航天领域中广泛存在的一种复杂流动现象，形成条件涵盖跨声速到高超声速，形成环境复杂多样，给飞行器的气动性能和结构安全性带来重大的影响。结合STBLI的典型流动图像介绍了干扰区的重要物理特征；总结了一些有代表性的STBLI流动控制技术的现状，分析了包括涡流发生器、电磁激励等控制技术的原理、效果及不足；探讨了STBLI流动控制研究中有待于进一步深入研究的问题和方向，为发展实用、高效、针对高超声速条件下的STBLI流动控制技术提供了理论支撑和技术储备。     

Sajben扩压器复杂流动中湍流模型的性能评估

用8个常用的湍流模型对Sajben扩压器中跨声速流动进行了数值模拟，评估了Spalart-Allmaras， 标准k-ε， RNG (re-normalization group) k-ε，realizable k-ε，标准k-ω，SST(shear stress transport) k-ω，v2-f，Reynolds stress共8个湍流模型对激波/湍流边界层相互作用的模拟预测能力.通过与实验数据比较发现:SST k-ω模型和v2-f模型比其他模型模拟的更准确，其中SST k-ω模型比v2-f更能准确地预测壁面压力，然而对于分离点、再附点以及分离区长度v2-f比SST k-ω预测得更准确.