高超声速边界层流动稳定性实验研究

高超声速条件下边界层转捩相关研究是近年来空气动力学领域的研究热点。通过采用基于纳米粒子示踪平面激光散射(Nano-tracer-based planar laser scattering,NPLS)技术以及温敏漆等测试技术,对高超声速边界层的流动稳定性开展了实验研究。通过NPLS技术,对圆锥边界层中第二模态波精细结构进行了测量,并基于时间相关的测量结果,对第二模态波的波长和频率进行了分析。针对裙锥边界层NPLS结果,计算了特定位置上功率谱空间分布结果,测量得到了高次谐波成分。通过温敏漆和NPLS结果,发现主导三角翼前缘边界层转捩的模态为行进横流模态,分析了该模态的特性,并且与Kulite传感器测量得到的频率进行比较。     

基于小波变换的高超声速边界层动态图像分析

利用小波变换技术,研究高超声速下动态尖锥周期俯仰摆动的边界层转捩图像。通过基于二维小波变换的图像消噪和图像增强算法,优化动态实验图像,根据小波变换图像的奇异性提取沿时间历程变化的尖锥边界线和边界层图像,得到尖锥的俯仰摆动周期和迎角变化范围。结果显示边界层厚度的变化周期与尖锥的俯仰摆动周期存在相位差,随着迎角增大,背风面转捩点向尖锥前缘移动。实验结果表明,基于小波变换的图像处理技术不仅能够作为高超声速尖锥实验流动显示进行定性观察,还可以实现对高超声速边界层转捩实验的精确观测和定量分析,成为一种重要的量化和自动化的实验技术和分析手段。     

“咽”式高超进气道流动特性及性能分析

采用数值模拟的方法比较分析了一种矩形型面的内收缩进气道和一种椭圆型面的"咽"式进气道的流动特性和性能.这两种内收缩进气道都是以四道平面斜激波三维流场为基本流场,利用流线追踪技术得到的.研究结果表明,该"咽"式进气道对设计状态下的攻角变化不太敏感;在非设计状态下具有较高的流量捕获和压缩能力;另外,由于其浸湿面积小,进气道内附面层增长缓慢,激波与附面层干扰较弱.因此,这种"咽"式流道可作为吸气式高超声速飞行器进气道的一个有利选择方案.      

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.      

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.      

KrF激光对高速飞片的驱动特性研究

利用诱导空间非相干技术平滑的KrF准分子（248nm）激光驱动带有烧蚀层的平面靶，研究激光空间均匀性对产生完整飞片的影响，结果表明激光不均匀性在2％以下，能够产生完整的高速飞片，且完整飞片能够维持20ns以上不破裂；当激光不均匀性达到5％，激光引入流体力学不稳定性种子应很强，冲击波在靶内输运过程中不稳定性不断发展增强，到靶背时强到足以使飞片解体甚至气化，不能产生完整的飞片。为了获得尽可能高的飞片速度，采用激光与烧蚀层参数不匹配方法，使冲击波对飞片作多次加速。利用功率密度为1012 W/cm2的KrF激光与含50μm Kapton烧蚀层的5μm铝飞片作用，得到速度约10km/s的高速飞片，与模拟结果吻合得很好。     

HyTRV流场特征与边界层稳定性特征分析

高超声速转捩研究飞行器（HyTRV）是为研究三维复杂外形的边界层转捩问题而设计的一款具备真实飞行器典型特征的升力体标模。为支撑更加全面系统的理论分析、数值模拟、风洞试验和飞行试验研究,采用高精度数值模拟方法、线性稳定性理论（LST）和e^N方法对HyTRV标模的典型流动特征和边界层失稳特征进行了分析。研究表明,HyTRV展现出多个相对独立的横流区域和多个流向涡结构;HyTRV的边界层存在横流失稳模态、第二模态、附着线失稳模态等常见模态。横流失稳模态出现在周向高低压区之间的横流区域,能够主导转捩发生;横流区域同时也存在第二模态,其N值普遍比横流失稳模态小;附着线失稳模态呈现出第二模态特性,且频率非常高。还研究了攻角和单位雷诺数的影响。结果表明,随着攻角增加,标模下表面中心线的流向涡结构逐渐消失,横流雷诺数逐渐减小;上表面流向涡结构逐渐从腰部移向顶端,并出现新的流向涡结构。增加攻角,所有失稳模态的N值总体上逐渐减小;增加单位雷诺数,N值显著增加。基于研究结果,针对流向涡失稳、横流失稳、第二模态和附着线失稳等给出了研究建议。     

Accurately predicting hypersonic transitional flow on cone via a symmetry approach

A new algebraic transition model is proposed based on a Structural Ensemble Dynamics (SED) theory of wall turbulence, for accurately predicting the hypersonic flow heat transfer on cone. The model defines the eddy viscosity in terms of a two-dimensional multi-regime distribution of a Stress Length (SL) function, and hence is named as SED-SL. This paper presents clear evidence of precise predictions of transition onset location and peak heat flux of a wide range of hypersonic Transitional Boundary Layers (TrBL) around straight cone at zero incidence, to an unprecedented accuracy as validated by over 70 measurements for varying five crucial influential factors (Mach number, temperature ratio, cone half angle, nose Reynolds number and noise level). The results demonstrate the universality of the postulated multi-regime similarity structure, in characterizing not only the spatial non-uniform distribution of the eddy viscosity in hypersonic TrBL on cone, but also the dependence of the transition onset location on the five influential factors. The latter yields a novel correlation formula for transition center Reynolds number which takes similar functional form as the SL function within the symmetry approach. It is concluded that the SED-SL model simulates TrBL around cone with uniformly high accuracy, and then points out to an optimistic alternative way to construct hypersonic transition model.     

前体边界层状态对高超声速进气道流动结构及性能的影响

采用CFD方法研究了前体边界层状态对轴对称高超声速进气道的波系结构、激波/边界层干扰特性以及流量捕获能力、总压恢复系数等的影响,获得了不同马赫数下进气道性能参数随一级锥边界层强制转捩位置的变化规律,并对采用二维粗糙体作为强制转捩措施给流场所带来的干扰进行了分析,研究中还对比了具体进气道设计方案间的差别.      

小攻角高超声速钝锥边界层失稳特性

利用高阶紧致格式,采用直接数值模拟(DNS)和线性稳定性(LST)分析方法,对高超声速边界层的失稳机制和转捩特点进行了研究.通过对马赫数为6的2?攻角高超声速钝锥边界层的稳定性分析发现:小攻角高超声速钝锥边界层存在多枝不稳定模态;周向速度使钝锥的稳定性特征与不考虑周向速度时有本质的差别;转捩线在接近背风面处出现拐折现象是由失稳模态发生转换引起的.      

Experimental study on the PRE-X vehicle focusing on the transitional shock-wave/boundary-layer interactions

This article is devoted to the experimental works carried out in the R2Ch blow-down wind tunnel in the framework of the atmospheric re-entry PRE-X demonstrator program and to the fundamental studies performed on a hollow cylinder-flare relative to crucial problem of the transitional shock-wave/boundary-layer interaction.Shock-wave/boundary-layer interactions in hypersonic flows may have major consequences on thermal loads, especially if the shock is strong enough to induce separation. The heat-flux density levels in the interaction region strongly depend on the nature, laminar or turbulent of the boundary-layer. Special attention should be paid to transitional interactions, which are likely to exist at altitude where the Mach number is high and the density low.The wide Reynolds number range achievable in the R2Ch facility and reliable heat-flux measurements by infrared thermography have allowed to investigate the viscous interaction on the deflected flaps of the demonstrator model and to point out the laminar-to-turbulent boundary-layer natural and forced transition, in the light of the in-depth analysis of results obtained from the hollow cylinder-flare study.     

超声速高超声速球锥绕流的边界层稳定性特点初探

本文对一个球锥组合体,在超声速来流及零迎角条件下,对其边界层的稳定性特点进行了分析并讨论了转捩预测问题。结果表明转捩总是最先出现在来流马赫数不太大,或来流雷诺数较高并且具有较大的周向速度或周向波数的情况下。     

锥形液膜空间稳定性分析

对离心喷嘴喷出的锥形液膜做了空间不稳定性分析,导出了锥形液膜的色散方程,并对色散方程进行了数值求解和分析研究。研究结果表明,在液膜表面存在着对称扰动波和反对称扰动波。对于对称扰动波,液膜半锥角的增大使得液膜的不稳定范围和波增长率缩小,并且将扰动波的主波向长波的方向移动。而反对称扰动波既有类似于对称扰动波的变化规律,又有其自身的特点。仅考虑液膜曲率半径的变化时,半锥角的增大使得波增长率的减小趋缓。而同时考虑曲率半径和液膜形状的变化时,液膜的波增长率出现了两个局部峰值。这两个峰值分别对应长短不同的两个波长,并且短波的稳定范围和增长率均远小于长波。这说明锥形液膜的破碎受到两种长短不同的扰动波的共同影响,且在短波的影响下液膜更易破碎。      

激波风洞边界层转捩测量技术及应用

高超声速边界层转捩对摩阻、传热等有重要影响。在高超声速飞行器研制中,迫切希望能精确预测和控制边界层转捩。激波风洞作为高超声速气动热环境试验的主要地面模拟设备,是研究高超声速边界层转捩的重要设备。但激波风洞原有测量技术适用于工程型号试验,需要依据高超声速边界层转捩特点进行适应性改造和升级。依据高超声速边界层转捩过程中的热流、压力、密度等物理参数变化,发展了薄膜热流传感器测热技术、温敏热图测量技术、高频脉动压力测量技术、高清晰度纹影显示技术等适用于激波风洞的边界层转捩测量技术。并针对头部钝度0.05 mm的半锥角7°尖锥模型,在中国空气动力研究与发展中心Ø2 m激波风洞（FD-14A）马赫数10、单位雷诺数1.2×10⁷/m的流场条件下开展了边界层转捩试验。采用多种转捩测量技术同时进行测量,获得尖锥模型表面边界层转捩情况、边界层脉动压力频谱特征、边界层内清晰的第2模态波和湍流斑纹影图像,不同测量技术获取的试验结果可相互印证,线性稳定性理论分析结果与试验结果相吻合。     

转捩模式与转捩准则预测高超声速边界层流动

对原始的k-ω-γ转捩模式和"层流+转捩准则"模型进行了改进,在2种方法中分别增加了横流模态时间尺度和横流转捩准则用于预测横流失稳诱导转捩。通过对网格预处理可并行计算获得边界层外缘信息以及边界层内横流速度。采用不同雷诺数条件下的0°攻角尖锥以及HIFiRE-5外形对2种方法预测高超声速边界层转捩的性能进行了比较分析。研究结果表明,2种方法均能正确反映高超声速边界层转捩起始位置和转捩区长度随雷诺数的变化趋势,但不能捕捉转捩区热流峰值;"层流+转捩准则"模型计算得到的传热系数在全湍流区较k-ω-γ转捩模式偏高。对于同时存在流向不稳定和横流不稳定的HIFiRE-5外形,改进的k-ω-γ转捩模式和改进的"层流+转捩准则"模型相比于原始的模型均能更加准确地预测中心线两侧横流失稳诱导形成的转捩;对于中心线附近因速度剖面拐点引起的边界层转捩,"层流+转捩准则"模型由于与边界层厚度相关,预测得到的转捩位置较试验结果靠前,k-ω-γ转捩模式与试验结果吻合很好。     

强激光与高超声速球锥流场干扰数值模拟研究

本文采用有限差分技术，数值求解带能量源项与空气11组分化学动力学模型的轴对称粘性流体力学方程组，采用类氢原子理论模型计算空气对激光的吸收系数，建立了模拟强激光与超声速钝体流场干扰的计算软件，得到了高能浙江与超声速球锥流场干扰数值模拟的结果。     

Interaction of single-pulse laser energy with bow shock in hypersonic flow

Pressure sensing and schlieren imaging with high resolution and sensitivity are applied to the study of the interaction of single-pulse laser energy with bow shock at Mach 5. An Nd:YAG laser operated at 1.06 lm, 100 mJ pulse energy is used to break down the hypersonic flow in a shock tunnel. Three-dimensional Navier–Stokes equations are solved with an upwind scheme to simulate the interaction. The pressure at the stagnation point on the blunt body is measured and calculated to examine the pressure variation during the interaction. Schlieren imaging is used in conjunction with the calculated density gradients to examine the process of the interaction. The results show that the experimental pressure at the stagnation point on the blunt body and schlieren imaging fit well with the simulation. The pressure at the stagnation point on the blunt body will increase when the transmission shock approaches the blunt body and decrease with the formation of the rarefied wave. Bow shock is deformed during the interaction. Quasi-stationary waves are formed by high rate laser energy deposition to control the bow shock. The pressure and temperature at the stagnation point on the blunt body and the wave drag are reduced to 50%, 75% and 81% respectively according to the simulation. Schlieren imaging has provided important information for the investigation of the mechanism of the interaction.     

高超声速边界层转捩对旋转钝锥自由飞运动的影响

通过在钝锥模型表面上布置人工绊线促使边界层强迫转捩,采用运动自由度不受约束的风洞模型自由飞试验技术研究边界层转捩对高超声速旋转钝锥自由飞行运动特性和气动特性的影响规律,并与自然转捩的旋转钝锥风洞模型自由飞试验结果作对比分析,试验马赫数为5.0,以模型长为特征尺寸的自由流雷诺数为1.68×106。研究结果表明:有人工绊线的旋转钝锥在自由飞行过程中有"激励稳定"的绕流流场,产生动态稳定的自由飞运动(动稳定导数系数小于0),而无转捩绊线的旋转钝锥在自由飞行中则有"激励不稳定"的绕流流场,产生动态不稳定的自由飞运动(动稳定导数系数大于0)。     

高精度数值方法与非线性扰动研究

通过数值模拟扰动波在平板边界层中的传播,考察了格式对T-S波传播过程计算的精确性。本文还研究了波-波与涡-涡两种典型的非线性扰动模型,结果表明:在自由剪切层中,波-波模型能加快扰动的增长速度,并激发出了λ结构,但仍然经过了线性失稳阶段;在钝体头部的超声速边界层中,涡-涡模型通过涡-涡相互作用,产生“发卡”结构,进而出现湍流斑。在此过程中,没有线性失稳的迹象。     

高超声速边界层感受性问题高精度数值模拟

通过五阶WENO格式和六阶对称紧致格式以及三阶TVD R-K结合的方法,对存在强激波和小扰动相互干扰的高超声速边界层感受性问题进行研究.结果表明:此方法能够模拟边界层内不稳定波的产生和发展以及小扰动和激波相互干扰等现象,因此能广泛应用于含激波的感受性等问题的可压缩湍流直接数值模拟以及具有激波和边界层干扰等复杂流场的计算.