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。     

二元风洞侧壁边界层引发的展向不均匀性

本文分析了二元风洞试验段中的侧壁边界层引起的流动展向不均匀性。在理论上找到了展向速度分布函数，从而为定量处理展向不均匀性提供了依据。最后，结合侧壁抽吸简单谈了展向不均匀性效应的控制问题。     

一种新型二元风洞试验侧壁干扰修正方法——当地修正法

针对现行二元风洞试验侧壁干扰修正方法中存在的若干缺陷，本文发展了一种新型修正方法－当地修正法。与目前的总体型方法相比，当地修正法致力于对模型当地流动参数的修正，而不是笼统地去调整来流条件。新方法有能力处理那些主要的侧壁边界层效应及相关问题，是未来开展侧壁干扰修正的一条有效途径。     

翼型在自适应壁风洞中试验时的侧壁边界层三元效应研究

二元翼型试验时模型安装于侧壁转盘上会引起侧壁边界层三元效应，中国航空研究院西北工业大学和德国宇航院哥廷根流体力学研究所合作用计算和试验方法进行了研究。作者介绍了1995－1998年的研究，包含研究目的，方案，计算方法，在德国路德维希管风洞中的验证试验，结果分析和初步结论。     

风洞侧壁干扰控制与修正方法研究

风洞侧壁干扰是影响风洞实验数据准确度的一个重要因素,洞壁边界层的存在会使二维翼型升力线斜率的测量值下降,在风洞设计和实验中采用多种方法来减小其干扰。简述了减小或消除侧壁干扰的实验原理、实验方法、优缺点及国内外研究进展,重点介绍了侧壁抽吸、侧壁吹除控制与修正方法,最后介绍了判断控制和修正效果的准则。侧壁抽吸与侧壁吹除方法在实际应用中取得了良好的效果,对抑制侧壁边界层效应有一定作用,能够提高实验结果的精确性。     

一种新型二元风洞侧壁干扰修正方法——当地修正法

针对现行总体型二元风洞侧壁干扰修正方法的不合理性，本文发展了一种新型修正方法——当地修正法，并就有关问题做了讨论。与目前的总体型方法相比，当地修正法致力于对模型当地流动参数的修正，而不是笼统地去调整试验条件。当地修正法有能力处理那些主要的侧壁边界层效应及相关问题，是未来开展侧壁干扰修正的一条有效途径。     

翼型风洞侧壁干扰的数值模拟研究

运用Navier-Stokes数值模拟对翼型模拟试验对风洞侧壁干扰进行模拟，将简单代数湍流模型扩展用于机翼／风洞侧壁结合区流动，分析了风洞实验侧壁干扰问题的形成机理和影响翼型实验侧壁干扰的各种因素，如翼型展长、风洞侧壁边界层厚度及侧壁边界层抽吸等，对实验结果的影响，得出了一些有用的结论。计算格式空间采用中心有限体积离散，时间采用多步Runge-Kutta时间步长格式进行积分。计算结果证明了该方法的可行性和优越性。     

跨音速翼型实验侧壁效应机理

 在西德宇航院跨音速风洞（TWB）进行的翼型油流实验结果表明,传统的关于侧壁效应的概念和理论只能适用于亚临界流动。超临界情况下,侧壁效应现象更复杂,影响更严重。实验中观察到的流油谱可分为五类。油流谱的发展规律说明侧壁干扰主要来源于侧壁边界层的位移效应。实侧壁“二元风洞”对跨音速翼型实验不能模拟真实情况。油流照片表明,即使风洞宽度达到翼型弦长的3.4倍,侧壁对中心截面的流动仍会有明显影响,侧壁抽气技术作为克服侧壁效应的手段是很有希望的。     

粗糙壁湍流研究现状综述

研究粗糙壁湍流的统计特性和流动结构对于丰富湍流理论和指导工程实践具有重要意义。壁面相似律是粗糙壁湍流研究取得的经典理论,最近关于湍流边界层内-外区不同尺度结构之间存在相互作用的新的认识,对壁面相似律的有效性提出了挑战,壁面相似律的适用性成为目前研究的一个热点问题。针对这一现状,本文概述了近期国内外在粗糙壁湍流研究中的重要成果,并进一步讨论了今后研究的可能方向。     

涡流发生器研制及其对边界层的影响研究

本文主要介绍了涡流发生器的机理和用途，涡流发生器研制和使用的一些重要参数，并进行了分析和验证。通过风洞试验段侧壁边界层和马赫数分布测量及半模型试验，证明该涡流发生器的研制是成功的。在风洞试验段侧壁安装涡流发生器情况下，在马赫数０．４至０．９范围，使涡流发生器下游８８０ｍｍ处侧壁上的边界层约减薄了７１％，而且对流场均匀度没有影响，并使半模试验有所改善。     

大型低速翼型风洞侧壁边界层控制系统研制

介绍了NF-3大型低速翼型风洞多喷嘴级联吹气侧壁边界层控制系统的结构和原理。为验证本系统的功能和性能,采用侧壁吹气方案并使用增量式PID控制算法进行气源压力的控制,对具有增升装置的GAW-1翼型进行了侧壁边界层吹除试验研究。试验结果表明：（1）使用侧壁吹气系统后翼型模型中间截面最大升力系数由2．79增加到2．84,增加幅度1．8％,且模型端面截面的升力系数与中间截面的升力系数基本上相等;（2）利用增量式PID控制算法对气源压力的精确控制较好地完成了风洞侧壁吹气功能,改善了翼型表面流动,减小了侧壁边界层对翼型试验结果的影响。     

壁湍流标度律的实验研究

对风洞中零压力梯度平板湍流边界层进行了实验研究，用热线风速仪测量了不同法向位置的脉动速度，研究了平板湍流边界层不同法向位置速度结构函数的标度律。     

二元风洞侧壁抽气孔板的实验研究

新研制的组合孔板造价低廉，夹层更换方便，用其作风洞壁面边界层控制，能消除风洞的侧壁引起的翼面上边界层的分离，可有效地改善翼型绕流的二元性和半模实验条件。     

壁面摩擦对风洞侧壁干扰的影响

本文研究了摩擦对风洞侧壁干扰的影响。在以Barnwell为代表开展的一系列侧壁干扰研究中,所有工作都未计及摩擦的影响。我们认为,Barnwell等人的这一处理理论上有缺陷。对此,本文用Karman-Pohlhausen方法对侧壁边界层作了分析,指出摩擦对侧壁干扰有不同程度的影响,具体取决于Pohlhausen参数B的大小;B越小,影响越大。Barnwell略去摩擦项的结果只对应于分离边界层情况,而事实上Barnwell处理的是附着边界层。通过这一分析,本文建立了有摩擦影响的侧壁干扰修正的新形式;考虑到多种因素的影响,初步建议参数B按中间值取为B=3～4。最后,就修正参数δ~*的确定作了一定讨论。     

基于涡流发生器的翼型风洞试验侧壁干扰控制研究

大厚度翼型风洞试验的侧壁干扰严重,需对侧壁边界层进行控制。本文首次使用被动式涡流发生器（VG）对大厚度翼型 FX77-W-400 的侧壁干扰效应进行控制,提出两种基于 VG 的侧壁干扰控制构型：侧壁 VG和翼面 VG,研究 VG 安装位置对翼型气动性能以及压力场细节的影响;使用本征正交分解（POD）技术对翼型表面压力场结构进行研究。结果表明：本文使用的被动式 VG 可对侧壁干扰进行有效控制;侧壁 VG 和翼面 VG对翼型表面的吸力峰值有影响,在本文研究范围内,升力系数和吸力峰值之间存在显著的线性相关性;本文使用的侧壁干扰控制形式保持了基准翼型表面流动的主要结构。     

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。     

后向台阶湍流边界层分离、再附及发展

应用激光测速仪对后向台阶湍流边界层分离、再附及发展进行了测量,得到时均流速、流向湍流度、平坦系数和偏斜系数等沿程分布。依据时均流速分布特性,得到分离区边界及再附点位置ｘ＿ｒ＝５．２ｈ＿ｓ（ｈ＿ｓ为台阶高度）,再附后湍流边界层恢复速度型相似的位置ｘ＿Ｔ＝１３．５ｈ＿ｓ。在详细分析湍流边界层区域时均及紊动特性的基础上,与光滑平板湍流边界层进行了比较。结果表明,除流速分布对数公式中积分常数较大外,无其它差别。此外,湍流边界层区存在尾流律,尾流参数π＝０．２９。     

一种超声速进气道侧壁面流场控制研究

为改善二元超声速进气道前体激波与侧壁面边界层干扰问题,提出了一种在侧壁开泄流气缝的流场控制方法并进行了数值仿真验证,然后研究了侧壁面开缝的宽度、位置、角度等典型几何参数对进气道性能的影响规律。结果表明:设计马赫数下侧壁开缝使进气道唇口角区处的溢流明显减小,进气道内通道进口流场得到改善,进气道流量系数提高2.27%,喉道截面总压恢复系数提高3.37%;在非设计状态下,进气道性能也有一定的改善。典型几何参数研究结果表明,当侧壁开缝位置位于前体斜激波位置(L=-1.4～-0.21)、开缝宽度为0.85～1.10倍当地边界层厚度时,对进气道性能的改善效果最佳,而开缝的角度影响并不明显。     

湍流边界层速度分布的显式表示

本文根据不可压缩湍流边界层内的Ｒｅｉｃｈａｒｄｔ立方律，得到了比现有的Ａ．Ｊ．Ｍｕｓｋｅｒ和Ａ．Ｌｉａｋｏｐｏｕｌｏｓ的公式更加符合Ｓｐａｌｄｉｎｇ公式及实验数据的湍流边界层内速度分布的显式表达式。     

关于风洞中用尖劈和粗糙元模拟大气边界层的讨论

尖劈和粗糙元广泛地应用于风洞试验中的大气边界层模拟，该技术成功模拟了不同地貌特征的平均风速和湍流度剖面。随着风工程研究的深入，了解尖劈和粗糙元模拟过程中的作用机理有助于准确地模拟各种大气边界层湍流功率谱和尺度特性。试验表明：尖劈利用其迎风平板的分离流产生湍流涡旋，迎风板的宽度决定了涡旋的大小和湍流脉动强度，同时迎风板阻塞比沿高度递减产生近似线性的风速剖面；粗糙元用于模拟实际地面的摩擦效应，调整平均风速和湍流度的剖面分布。遗憾的是，尖劈下宽上窄的结构特点决定了该技术模拟的湍流功率谱和积分尺度的高度变化律与实际大气边界层相反。基于对模拟机理的认识，异型尖劈上部形状有助于模拟大比例模型试验要求的湍流风场。