高超声速边界层转捩的若干问题及工程应用研究进展综述

高超声速飞行器绕流存在着激波、边界层、流动分离、稀薄气体效应和高温气体效应等多种复杂流动现象的空气动力学问题,其中高超声速边界层转捩既是空气动力学的基础问题,也是高超声速流动研究的热点和难点。若能对边界层转捩进行准确预示及有效控制,则可以实现对飞行器气动力热特性的精细设计,改进飞行器性能,提高任务执行能力。文章针对工程中具有复杂外形飞行器存在的典型失稳特征进行了研究进展回顾,提出了工程实际中亟需解决的复杂边界层转捩问题,明确了高超声速边界层转捩研究的工程应用方向。文章最后还对高超声速边界层的流动控制进行了回顾,以期在今后高超声速飞行器设计中实现对边界层的流动控制,提高飞行器的飞行性能。     

从总体设计角度透视高超声速飞行器边界层转捩问题

边界层转捩对飞行器总体性能影响很大,按照弹道式再入、再入机动、高超声速滑翔、高超声速巡航四类飞行器进行分类,与边界层转捩相关的典型问题可归结为气动力、气动热及掺混效率三类,相应带来飞行稳定性与配平能力、落点散布、防热风险、飞行器减重、推进系统优化等问题.针对边界层转捩控制问题,从总体设计方面可采取弹道设计、翼载荷控制、...     

高超声速边界层转捩机理及应用的若干进展回顾

高超声速边界层转捩对飞行器的热传递、表面摩阻和流动分离等有重要影响,尤其是再入飞行器和吸气式巡航飞行器。然而,人们对边界层转捩机理中的很多问题认识还不清楚,或存在争议。本文从扰动波演化的角度回顾了高超声速边界层感受性、线性稳定性和非线性作用的国内若干研究进展,并以基于谐波共振的人工转捩技术为例示范了这些机理认识在转捩控制上的应用。扰动的产生和发展是认识边界层转捩机理的核心。通过研究扰动波来认识边界层转捩机理,开展应用创新研究对提升飞行器性能具有重要意义。     

高超声速边界层转捩模型横流效应修正与应用

三维边界层在高超声速飞行器中普遍存在,转捩过程受到横流不稳定性的显著影响而出现复杂的转捩形态特征。为了提高转捩模型对高超声速三维边界层转捩现象的预测能力,在与SST湍流模型耦合求解的γ-Re_θt转捩模型基础上,提出了一种基于当地流场变量的横流效应修正方法。以椭圆锥外形为研究对象,开展了转捩模型横流效应修正方法的分析、验证及应用。数值模拟结果表明,椭圆锥外形高超声速边界层流动存在显著的横流特征,在模型中部产生横流转捩现象。构造的横流雷诺数判据能够有效表征三维边界层流动的横流效应,提出的转捩模型横流效应修正方法提高了横流转捩的预测能力,通过标定修正模型参数获得了与风洞试验数据和精细模拟接近的转捩形态特征。风洞试验及飞行试验数据验证表明,提出的转捩模型横流效应修正方法对高超声速三维边界层转捩预测具有较好的应用效果。     

高超声速飞行器前体边界层强制转捩数值模拟

边界层强制转捩是保证超燃冲压发动机进气道正常启动的关键技术之一,k-ω-γ转捩模式是适用于高超声速边界层转捩预测的方法。为研究该方法对边界层强制转捩的预测性能及不同转捩带对边界层强制转捩的影响特征,对原始的k-ω-γ转捩模式进行了壁面温度影响修正,采用修正的k-ω-γ转捩模式对高超声速飞行器进气道前体边界层强制转捩进行数值分析,计算了光滑外形、钻石型转捩带外形和斜坡型转捩带外形在马赫数Ma=6,7条件下的边界层转捩,并与试验结果进行了对比。研究结果表明,修正的k-ω-γ转捩模式对边界层强制转捩具有较好的预测能力,计算得到的转捩起始位置与试验结果基本吻合。两种转捩带强制转捩效果明显,其中:钻石型转捩带产生的扰动强于斜坡型转捩带,且转捩区长度较斜坡型转捩带短;斜坡型转捩带在控制边界层流动分离、减小流动横向溢出效果上优于钻石型转捩带。     

高超声速边界层转捩预测中的关键科学问题——感受性、扰动演化及转捩判据研究进展

随着临近空间高超声速飞行技术的发展,预测高超声速边界层转捩位置的需求变得越来越迫切。由于高超声速实验很难做,不可能做得很多,因此像低速飞行器那样的半经验预测方法恐怕很难可靠地实现。为此,需要理解转捩所包含的关键物理过程,在此基础上,发展基于物理机理的转捩预测方法。目前,对于高超声速边界层,转捩预测的不确定性主要来自于转捩过程的一"头"一"尾",即感受性和转捩判据。本文将分别介绍这两方面的最新研究进展和尚存在的问题,特别是有关圆锥边界层具体的感受路径和横流转捩的机理。之后,讨论了在边界层扰动演化方面的问题,包括e^N方法在三维边界层中的积分策略,及在高超声速边界层中遇到的第一模态到第二模态的模态转换问题。最后,总结了在完善转捩预测方法上面临的问题和挑战。     

C-γ-Reθ高超声速三维边界层转捩预测模型

针对国家数值风洞（NNW）工程高超声速三维边界层转捩预测需求,开展了高超声速边界层横流转捩判据及模型研究。采用线性稳定性分析e^N方法对高超声速转捩数据进行扩展,结合横流强度与表面粗糙度构造当地化的高超声速横流转捩判据,对基于Chant 2.0计算平台的高超声速修正γ-Re_θ转捩模型进行了横流模式拓展,建立了适用于高超声速三维边界层横流转捩预测的C-γ-Re_θ转捩模型。采用构建的转捩模型对多状态下的高超声速尖锥进行横流转捩预测,取得了与试验结果符合较好的预测效果。     

超燃冲压发动机前体边界层转捩风洞试验方法

吸气式高超声速飞行器前体边界层强迫转捩研究是各国高超声速研究计划的重要内容之一。本文归纳总结了美国开展Hyper-X前体边界层强迫转捩研究风洞设备的选则依据和选用的主要风洞;归纳了各风洞在超燃冲压发动机前体边界层强迫转捩试验中采用的主要测量和显示技术;分析了强迫转捩扰流装置设计过程中,风洞试验研究采用的方法。     

高超声速三维边界层转捩数值研究进展及预测软件

高超声速边界层转捩问题已经成为飞行器设计需要考虑的一个关键因素，也是高超声速流动研究的热点和难点。三维边界层中存在横流、流向涡、接触线三种典型的流动结构和失稳特征，他们诱导转捩的机理不同。本文总结了低雷诺数湍流、γ-Re_θt、k-ω-γ、层流动能4种常用转捩模型的构造、适用性及应用情况，介绍了适用于三维边界层的BiGlobal、 PSE3D、 TriGlobal三种全局稳定性分析方法，分析了基于转捩预测e^N方法的e Malik、 LASTRAC、 LILO、HyTEN等转捩软件的优缺点，展望了高超声速三维边界层转捩研究及软件开发的未来。     

高超声速边界层转捩实验综述

高超声速边界层转捩直接影响飞行器表面的摩擦系数与热流分布,对于高超声速飞行器的气动布局以及热防护设计至关重要。尽管高超声速边界层层/湍流转捩的相关研究已经开展长达半个多世纪,但是由于高超声速流动的复杂性以及触发转捩的因素繁多,研究人员对于转捩过程的认识并不透彻,阻碍了先进高超声速飞行器的设计。地面风洞实验作为高超声速空气动力学设计的重要手段之一,在可预见的将来仍是研究高超声速边界层转捩不可或缺的方法。本文以高超声速边界层稳定性与转捩的风洞实验为重点,按照边界层自然转捩的发展过程,分别回顾了国内外在边界层感受性问题以及线性化阶段风洞实验研究的现状,文章最后总结了风洞实验在未来高超声速边界层转捩研究中的工作与意义,并针对未来的实验研究给出了几点建议。     

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。     

分布式粗糙元对高超声速边界层不稳定性的影响试验

高超声速边界层转捩是空气动力学亟须研究的关键问题之一。飞行器表面的热防护系统会由于高温烧蚀产生宏观分布式粗糙元形貌,但是目前该宏观烧蚀形貌对高超声速边界层内不稳定波演化机制的影响尚不明晰。基于华中科技大学?0.5 m马赫数6 Ludwieg管风洞,利用高频压力传感器（PCB）和红外热像仪等测量手段,重点研究了分布式粗糙元布置位置和宽度对零攻角下7°半张角尖锥模型高超声速边界层不稳定波演化特征和转捩位置的影响。试验结果表明,将分布式粗糙元布置于同步点之前会促进第二模态不稳定波的演化,且越靠近前缘位置粗糙元宽度因素对下游不稳定波演化影响越小;但随其分布位置向下游移动,促进转捩作用减弱,对不稳定波的非线性交互抑制效果更为明显,转捩位置随之后移。     

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。     

空天飞机的边界层转捩

本文概述了边支转捩对空天飞机性能的影响，在介绍确定边界层转捩起始点的线性稳定性理论和简单关联公式之后，又从噪声影响、头部钝头影响和钝锥飞行试验结果等几方面，讨论了线性稳定性理论的应用，接着介绍了采用转捩函数来确定转捩区的方法。从飞行试验、理论计算和风洞试验等三方面，探讨了进一步研究高超声速边界层转捩的途径。重点介绍了ＮＡＳＡ Ｌａｎｇｌｅｙ研究中心的超声速、高超声速静风洞技术的发展，最后，对今后空     

高超声速进气道钻石型强制转捩装置的转捩准则研究

针对吸气式高超声速前体/进气道外形,利用在Φ600mm脉冲燃烧风洞和Φ0.5m高超声速风洞上获得的边界层转捩试验数据以及CFD流场计算结果,研究了前体边界层强制转捩区域的起始位置及其影响参数。采用回归分析方法,提出了一种适用于常规风洞和脉冲燃烧风洞、能够预测自然转捩和钻石型强制转捩起始位置的转捩准则。这个转捩准则考虑了边界层外沿的马赫数、雷诺数,以及总温/壁温比、来流气体平均分子量、粗糙元高度等影响转捩位置的主要因素;当粗糙元高度为0时,强制转捩准则退化为自然转捩准则。转捩准则成功推广到X-43A进气道风洞试验,预测最大偏差约为进气道全长的13%,可以应用到工程项目的转捩预测中。     

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。     

简化三方程转捩模型在高超声速流动中的应用

在雷诺平均方法的基础上,通过耦合k_(-ω)SST湍流模型和间歇因子转捩模型,引入湍流模型和转捩模型的可压缩修正方法,对高超声速平板、双楔、尖锥三类模型边界层转捩流动开展了数值模拟研究。与实验结果的对比分析表明基于压力梯度表征参数T_w=R_(TΩ/ω)的简化三方程转捩模型,能够准确捕捉高超声速平板边界层流动的转捩起始位置、转捩区域长度以及湍流区壁面热流。而对于双楔、尖锥模型,改进前的简化三方程转捩模型由于受到流动可压缩效应的影响,边界层转捩后湍流区的壁面热流模拟预测结果明显高于实验值。在添加模型可压缩修正方法后,转捩区域长度和湍流区壁面热流模拟结果得到有效改善,与实验值吻合较好。可见,简化三方程转捩模型在添加可压缩修正方法后具备准确模拟预测高超声速边界层流动转捩的潜力。     

γ-Re_θ模式应用于高速边界层转捩的研究

应用γ-Reθ转捩模式对超声速、高超声速边界层转捩进行数值模拟。γ-Reθ模式通过求解关于当地雷诺数和间歇因子两个输运方程给出转捩起始位置和转捩区长度等信息。本文对马赫数3.5至7范围内的四种算例进行计算,研究了来流雷诺数、攻角变化和头部钝化半径等关键参数的变化对γ-Reθ模式预测流动转捩性能的影响。给出了壁面摩擦阻力系数、热流值与实验值的对比以及壁面附近间歇因子等值线分布等计算结果。γ-Reθ模式能够正确预测攻角和钝化半径变化时转捩位置和流动参数的变化趋势;在较大雷诺数时计算结果与实验值吻合很好。γ-Reθ模式对于超声速或高超声速边界层转捩的模拟仍需修正和改进。     

应用γ-Reθ湍流模型和PSE方法研究高超声速流动

采用考虑转捩的γ-Reθ湍流模型研究了高超声速复杂流动,结合PSE(parabolic stability equa-tion)稳定性分析方法和e-N方法,通过给出边界层最不稳定点的参数,用以控制γ-Reθ的转捩经验关联式,减少对经验参数的依赖.计算了锥体高超声速流场,得到的壁面换热量和边界层转捩位置与实验吻合较好.计算了平板激波/边界层干扰和高超声速拐角压缩流场,得到了准确的波系结构、压力分布和分离区的大小.结果表明,该方法与传统湍流模型相比具有较大的优越性.     

热化学非平衡高超声速平板边界层线性稳定性分析

高超声速边界层流动转捩是近期空气动力学研究的热点问题。对于环境扰动较小的自然转捩过程,稳定性分析已被证明是研究扰动演化的重要手段。另一方面,高超声速边界层内的温度会随着马赫数的升高而快速上升,极高的温度会引起所谓的高温真实气体效应,使得量热完全气体假设失效,从而对边界层稳定性和转捩产生影响。本文针对高温热化学非平衡气体,利用空气5组分模型开展了平板边界层的线性稳定性分析,重点研究了热化学过程对模态稳定性的影响,并探究了边界层离散谱模态的演化和同步过程。研究表明,对于由第二模态主导的高超声速二维边界层:(1)扰动相比基本流更趋向于热化学冻结态;(2)扰动方程中新出现的非平衡源项的扰动项对稳定性影响很小,非平衡过程主要是通过改变基本流剖面来间接影响稳定性;(3)声速是影响第二及更高模态的重要参数,热化学平衡态假设引起的声速计算式的变化能够解释边界层温度和厚度降低时第二模态频率反而降低的非常规趋势。