可压缩剪切层与边界层流动相互作用的稳定性研究

为了探究可压缩剪切层与边界层组合流动稳定性规律,采用线性稳定性理论对这种组合流动的线性稳定性问题进行研究。平均流动模型取双曲正切函数描述的可压缩剪切层与可压缩相似边界层速度剖面的直接叠加。采用整体数值方法 (Global)求解组合流动线性稳定性方程,获得全部不稳定模态。结果表明,在这样的组合流动中,存在两个不稳定模态,一个与剪切层相关的不稳定模态,另一个是与边界层相关的不稳定模态。在此基础上,研究了剪切层与壁面之间的距离、扰动频率、雷诺数、马赫数、速度梯度、温度梯度对这种组合流动稳定性的影响。马赫数增大对不稳定模态起抑制作用,剪切层对边界层的不稳定模态的促进、抑制作用与马赫数、扰动频率有关,边界层对剪切层不稳定模态基本上起抑制作用。     

剪切层与边界层组合流动的线性不稳定性分析

对不可压缩剪切层与边界层的组合流动完成了线性稳定性研究.组合流动的数学模型为Blasius边界层相似解与双曲正切函数的叠加,采用整体数值方法求解组合流动的稳定性方程,并验证了程序的准确性及网格无关性.研究给出组合流动的不稳定模态的辨识,即边界层模态和剪切层模态.在此基础上研究了剪切层对边界层模态不稳定性的影响以及壁面对剪切层模态的影响.由于剪切层的存在,使边界层模态中性曲线向左上方平移,临界雷诺数减小.此外,边界层模态不稳定性得到增强或抑制的影响,取决于扰动频率以及剪切层速度比的变化.组合流动中壁面边界层促使剪切层不稳定性减弱,主要表现在低频区域;而在高频区域,剪切层不稳定性几乎不受壁面边界层的影响.      

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.      

非线性扰动方程研究平面混合层发声机制

在流动过程中由脉动引起的噪声问题在自然界和工业界中广泛存在,研究流动过程中不稳定波的发声机制对于理解、预测并最终控制气动噪声有着重要意义。本文以二维 Blasius 相似性解作为基本流场,以超声速混合层作为研究对象,采用非线性扰动方程(NLDE)研究超声速混合层不稳定波的近场动力学特性与远场声辐射之间的内在联系。针对不同类型的对流马赫数,分别研究对流马赫数 Mc =0.5(<1)和 Mc =1.2(≥1)两种情况下的扰动发声机制,结果表明：当对流马赫数 Mc <1时,流场中的发声机制主要由大尺度结构的涡条发声,且基本波与亚谐波之间的非线性作用能增强辐射强度;当对流马赫数 Mc ≥1时,根据扰动相速度是相对于上层还是下层自由流速度为超声速,可以进一步分为快慢两种模态,分别对快慢两种模态以及其相互作用模态进行了数值模拟研究,计算得到流场中的发声机制是以马赫波形式辐射向远场,即马赫波辐射,其辐角的计算结果与理论值相符。     

可压缩混合层密度梯度场特性的实验研究

利用纹影技术研究了不同对流马赫数（Mc=0．28,0．38,0．72）可压缩混合层密度梯度场的特性。由纹影图像可以看出：具有可压缩效应（高M。数）的混合层存在不同程度的摆动。将纹影图像对比以后还发现：当Mc〈0．3时,在可压缩混合层中发现了类似于Brown—Roshko的结构,混合层看不出明显的摆动;随着可压缩效应的增强（对流马赫数Mc〉0．3）,混合层开始摆动,并且随着对流马赫数的增大,混合层开始摆动位置向前移动。此外,还观察到不同对流马赫数下大尺度结构出现的区域有不同的特点。     

局部凸起对可压缩平板边界层稳定性的影响

在采用直接数值模拟(DNS)方法计算得到来流马赫数为4.5的带局部凸起的可压缩平板边界层基本流的基础上,基于线性稳定性理论(LST) 进行稳定性分析,通过求解扰动方程研究了不同频率的扰动波与不同高度的局部凸起的相互作用,定义了穿透系数来研究局部凸起对流动稳定性的影响.研究结果表明:当局部凸起高度小于0.2个边界层厚度时局部凸起对来流的影响是局部的;局部凸起使频率小于最不稳定波频率的扰动波更不稳定,对频率大于最不稳定波频率的扰动波有稳定作用,其中最不稳定波频率是指局部凸起中心位置处平板边界层中第2模态最不稳定波的频率;穿透系数定量刻画了局部凸起对稳定性的影响,高度为0.2个边界层厚度的局部凸起引起e-N方法中N值的修正量达到0.8,接近转捩位置处N值的10%,在转捩预测中必须考虑.      

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.     

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.      

超声速平板边界层中流向涡的生成条件

针对马赫数为4.5的超声速平板边界层,基于线性稳定性理论（LST）选取初始扰动组合,通过直接数值模拟（DNS）,计算了第一模态不稳定波扰动组合沿流向演化生成流向涡的过程。采用改进Omega-Liutex旋涡识别方法进行涡识别,结合流向不同位置截面的流线图,分析了流向涡的生成特性。根据流向涡在zy截面内的流线特征,提出了流向涡的生成条件,研究发现:流向涡可以直接通过一对展向对称的第一模态不稳定斜波扰动与基本流叠加得到,不是必须经过非线性作用。      

可压缩混合层的涡结构演化与流质混合

为研究可压缩混合层的流动结构,采用七阶精度广义紧致格式离散对流项和用显式八阶精度的中心格式离散粘性项,数值求解了非定常三维可压缩Navier-Stokes方程。用约4亿规模的网格,直接数值模拟了对流马赫数为0.7的超声速可压缩混合层的空间发展流动,获得了自初始流动失稳直至充分发展湍流流动结构的精细演化历程,所得结果表明:大尺度涡结构的生成使得混合层的动量厚度快速增长,并主宰了由被动标量质量分数展示的可视混合厚度的量级,充分发展湍流的小尺度的结构主要使得该量级厚度内的流质混合趋于均匀,对可视厚度增长的贡献非常有限。     

Linear stability analysis of interactions between mixing layer and boundary layer flows

The linear instabilities of incompressible confluent mixing layer and boundary layer were analyzed.The mixing layers include wake,shear layer and their combination.The mean velocity profile of confluent flow is taken as a superposition of a hyperbolic and exponential function to model a mixing layer and the Blasius similarity solution for a flat plate boundary layer.The stability equation of confluent flow was solved by using the global numerical method.The unstable modes associated with both the mixing and boundary layers were identified.They are the boundary layer mode,mixing layer mode 1 (nearly symmetrical mode) and mode 2 (nearly anti-symmetrical mode).The interactions between the mixing layer stability and the boundary layer stability were examined.As the mixing layer approaches the boundary layer,the neutral curves of the boundary layer mode move to the upper left,the resulting critical Reynolds number decreases,and the growth rate of the most unstable mode increases.The wall tends to stabilize the mixing layer modes at low frequency.In addition,the mode switching behavior of the relative level of the spatial growth rate between the mixing layer mode 1 and mode 2 with the velocity ratio is found to occur at low frequency.     

用于可压缩自由剪切流动的湍流混合长度

抓住可压缩流动变密度特性,构造出基于有效涡量的三维von Karman混合长度。湍流模型采用仅依赖湍动能k的单方程KDO(Kinetic Dependent Only)模型,引入新构造的混合长度替换旧尺度得到CKDO模型。为了验证其描述可压缩自由剪切湍流的能力,选择无壁面束缚、密度梯度大和可压缩效应强的自由剪切混合层为算例,其对流马赫数Ma_c=0.8。计算结果表明,KDO模型对混合层的速度分布有着良好的控制和模拟,而经可压缩修正后的CKDO模型与原模型及其他可压缩修正模型相比,所计算的速度分布、主雷诺剪切力和混合层厚度与试验结果更加接近,说明了该混合长度对可压缩混合层这种自由剪切湍流有着良好的刻画能力。     

跨音速湍流边界层测量

 热线探头在中国空气动力研究与发展中心(CARDC)FL-23跨超音速风洞中进行了校准。结果表明;热线过热比a_ω≥0.6时,密度灵敏度系数S_ρ基本不随a_ω变化;当a_ω=0.8时,在Ma=0.6～1.16范围内S_ρ基本不随Mach数变化。用校准后的热线探头测量了FL-23风洞试验段侧壁边界层的平均气流和脉动气流特性。平均气流特性与皮托管测得的结果一致性很好;速度脉动u′/和密度脉动p′/随距洞壁距离y的增加不单调减小。     

DNS/LES方法在剪切湍流模拟中的应用

提出采用DNS/LES混合方法进行自由剪切类混合流动湍流研究,该方法兼顾了直接数值模拟(DNS)方法在转捩线性范围内的高精确度模拟和大涡模拟(LES)方法在转捩非线性及全湍流区的高效模拟两方面优点,通过对低对流Mach数流场计算表明该方法可以较好地模拟流场的转捩过程.同时,文中还对比实验分析了湍流场对光学传输效应的影响,给出了与实验一致的结论.     

超声速尾迹-剪切流的混合增强

超声速条件下燃料和空气之间的高效混合是超然冲压发动机技术上的主要挑战。基于大涡模拟和流动稳定性分析,针对超声速尾迹-剪切流动开展了混合增强方法研究。尾迹的存在改变了混合层流动的速度剖面,对流动稳定性产生了重要影响,使混合层由三维最不稳定变为二维最不稳定,最不稳定扰动波频率和增长率增大。基于流动稳定性结果引入扰动的混合增强方式依然有效,根据稳定性结果设计了波纹隔板。数值结果表明：二维波纹壁引入的扰动未能增长,不具备混合强化效果,而三维波纹壁引入的扰动能够快速增长,具有混合强化效果,且波纹壁参数越接近最不稳定扰动波参数,混合强化效果越明显。     

可压缩混合层中的大尺度结构及其作用初探

利用粒子示踪图像流动显示技术和粒子图像测速技术(PIV技术)研究了对流马赫数Mc=0.38时可压缩混合层发展早期出现的大尺度结构的形状和特性,并将这些混合现象与湍流脉动场结合起来研究了这些大尺度结构对流动混合效率的作用.将粒子示踪图像和湍流脉动强度场对比以后发现:混合层流动中早期出现的大尺度结构沿着顺时针方向旋转着向前移动;该结构上的流体微元具有高涡量.由于该结构旋转和高涡量产生了较大的诱导速度,加上该结构的非定常性导致在这些大尺度结构频繁出现的区域具有很高的脉动强度,从而可能带来较高的混合效率.