高超声速边界层的转捩及预测

首先描述了边界层转捩的基本过程及研究内容。在此基础上,指出了高超声速边界层不同于不可压缩边界层的流动不稳定性特性,并介绍了边界层的转捩机理与感受性特征;给出了高超声速三维边界层中预测转捩的常用方法,并着重介绍了多用于工程实际的e N方法以及对e N方法的理性改进,同时列举了在高超声速三维边界层中应用e N方法实现转捩预测的多个实例。最后,分析并总结了高超声速边界层转捩预测所存在的困难及需要解决的问题。     

高超声速椭圆锥短轴流向涡的二维全局稳定性分析

风洞实验观察到高超声速椭圆锥短轴处的转捩位置与其两侧相差很多,这是因为短轴处存在流向涡,基本流与其两侧明显不同,所以短轴处的稳定性与两侧有本质的区别,进而导致转捩位置与两侧不同。本文在短轴处进行二维全局稳定性分析,研究此处的稳定性。使用Arnoldi方法进行计算,并与其它方法结果进行了对比验证。找到了不稳定的外模态,研究了不稳定模态的增长率随频率、波数和流向位置的变化。发现了不稳定模态的产生机理,即由基本流剪切的无粘拐点不稳定性造成。阐明了不存在内模态的原因在于没有符合内模态特性的Fjortoft拐点。     

三维可压缩混合层中扰动演化的研究

为了利用被动控制增强可压缩混合层中混合效率,本文用数值模拟的方法研究了三维可压缩混合层中扰动向下游的演化.通过在入口处引入不同的不稳定T-S波,给出了扰动随空间的演化过程,及马赫数对扰动演化的影响.计算结果表明在马赫数较小时,扰动波增长很快,当马赫数增大时,扰动所形成的流向涡的强度会减弱.这一结论与流动稳定性分析结果是一致的.     

一种剪切修正的涡黏性亚格子模型及其在槽道湍流中的应用

提出了一种利用壁面附近强剪切对涡黏系数进行修正的亚格子模型,称为剪切修正的涡黏模型.该模型能使涡黏系数在壁面附近自动满足壁面修正,在脉动为零的地方,涡黏系数自动为零,保证了壁面附近涡黏系数趋于零的特性.用该模型对槽道湍流壁面无吹吸、有吹吸,较低和较高雷诺数的情况进行了数值模拟,与直接数值模拟的结果进行了对比,结果吻合较好.      

超声速绕钝板熵层不稳定性的研究

为了研究熵层的不稳定性,首先选择马赫数为4.5、前缘为圆头的0°钝板模型,利用直接数值模拟得到基本流场,然后在此基础上进行线性稳定性分析,同时通过经验方法确定熵层和边界层区域。研究发现,对于某一流向站位的基本流剖面,存在两个广义拐点,分别位于边界层和熵层。针对熵层的广义拐点,进行稳定性分析研究了熵层中不稳定模态特性,得出该模态的不稳定区域集中在前缘附近,且扰动增长率很小。通过直接数值模拟熵层扰动的演化,发现在前缘附近扰动幅值也是缓慢上升,之后缓慢下降。另外,距离前缘较远处的数值模拟得到的扰动幅值与LST结果比较,二者吻合得很好,说明熵层在下游具有很好的平行性。     

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.      

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.      

超声速流中圆锥头部钝度对边界层稳定性的影响

通过直接数值模拟,计算得到超声速流中各种钝度圆锥周围的流场情况.结果表明圆锥头部钝度增加,使边界层增厚,边界层向自由流的过渡变得更平缓.这种变化进而使流场稳定性发生改变,通过对流场进行线性稳定性分析发现,随着圆锥钝度增加,边界层中最先出现不稳定波的位置向后移动,临界雷诺数增加;流场中存在不稳定波的频带变窄,同时整体向低频方向移动;T-S波的不稳定频段向低频移动时,其增长率减小,不稳定特性减弱.     

流动稳定性中小扰动波传播速度的数值研究

在保守系统中，小扰动波如线性水波及线性重力内波等均以其群速度传播，且群速度等于能流速度，在非保守系统中，波的传播速度还是个不十分清楚的问题。本文用数值计算的方法研究流动稳定性问题中小扰动波的传播速度，结果表明，波的传播速度并不等于能流速度，而与复群速度的实部近似相等。本文还用一简单的模型对此给予了解释。     

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.