局部抽吸对边界层流动稳定性的影响和控制研究

在边界层壁面上,设计局部抽吸结构,采用直接数值模拟的方法,获得稳定的三维基本流.在此基础上,研究稳定及最不稳定的二维扰动T-S波的时、空演化机制;进一步探讨了局部抽吸的形式、强度大小及分布结构对二维T-S波的非线性演化影响及其对增长率的贡献大小.结果表明,局部抽吸结构诱导产生的三维基本流是扰动波得以快速增长的一个关键性因素,这是由于平均流剖面的改变及展向速度的出现,增强了流体运动中的不稳定性、扩大了中性曲线的不稳定区域范围.在最不稳定的二维扰动T-S波的非线性演化过程中,由于非线性作用的不断增强,逐渐激发产生出三维扰动波及高次谐波,其三维扰动波的流向波数和频率与二维扰动波的流向波数和频率相同;同时展向速度的大小对二维扰动波的增长、流动的失稳、流向涡的形成等方面都起着激励的作用.随着时、空的不断发展和非线性作用的迅速加强,正、负相间的流向涡逐渐形成,强度逐渐增大,流向涡的影响区域也在不断扩大,涡的形状逐渐拉伸变长,并出现强的剪切层,流动开始失稳等其它机制;这些结论与文献[4、5]的结果相吻合.     

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。     

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.     

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.     

自由剪切层中的三维不稳定性

本文是在文[1]的基础上研究自由剪切层中由Kelvin-Helmholtz不稳定波发展而形成的展向大涡结构的三维不稳定性。以大涡结构为基本流动,将稳定性分析归结为二维特征值问题,用pseudo spectral(伪谱)方法数值求解。研究发现:在没有亚谐波存在的情况下,大涡结构的最不稳定的扰动波是流向波长和其相同。展向波数较高,有对流特性的三维扰动波。它在剪切层中的发展与展向涡量的分布有关,大涡结构的涡核不稳定性和辫子不稳定性是流向涡形成的主要力学机制。本文还给出了不同雷诺数下三维扰动波增长率与展向波数的关系,这些结论与实验及数值模拟结果基本一致。     

PSE方法研究平板边界层中三波共振的非线性作用机制

用抛物化稳定性方程(PSE)方法数值模拟了实验中三波共振中三维扰动的非线性作用情况,得到的计算结果与实验数据在定量上比较相符。研究表明扰动演化的定性行为与理论描述的结果是一致的,即二维波在初始阶段和参数共振阶段按照线性指数增长,三维波在初始阶段同样按照线性指数增长。在非线性作用比较强时,三维波快速增长起来,最终作用在二维波上,使其再次增长起来,从而引起转捩。     

Falkner-Skan流空间演化的二次稳定性研究

依据Floquet理论建立三维亚谐扰动的控制方程，研究Falkner-Skan流的二次稳定性问题。采用高精度的谱方法进行数值模拟，结合边界层特性有效地配置边界条件，引入不同类型压力梯度，研究在压力梯度下的二维有限振幅的Tollmien-Schlichting（TS）波对三维亚谐扰动的产生、发展和演化的作用和影响。结果表明，顺压梯度的存在可以减缓二次不稳定的发生和演化，而逆压梯度却加速了二次不稳定性。     

高精度数值方法在DNS中的应用

利用不同格式模拟扰动波在平板边界层中的传播,考察了格式对T-S波传播过程计算结果的影响。研究了不同计算格式对自由剪切层扰动波增长的影响,结果表明:对于二维扰动波模型,采用二阶精度格式,扰动波在平板边界层中只能出现衰减的结果;在自由剪切层中,虽然能模拟出扰动波在传播过程中幅值的增长,但却在相当长的计算范围内看不见三维波的出现。但对于同样的扰动模型,如果采用高精度格式,在边界层中能出现增长的T-S波,并与线性理论非常吻合;在自由剪切层中,扰动波不仅迅速增长,并能在不很长的距离内,明显的看到三维波的出现,并激发出了三维结构。      

钝体头部边界层“逾越”型转捩机理研究

利用数值模拟的方法,研究了再入条件下,钝头体边界层中一种新的失稳机制.这种失稳机制无法用线性稳定性理论解释.最近的研究工作表明,流动中存在着一种与局部有限幅值扰动相关的失稳机制.它与常规的T-S波或二次失稳的过程不同.数值模拟了受空间模式的局部扰动影响的钝体头部超声速边界层的失稳过程.在模拟中,明确了不同扰动模型非线性相互作用的物理机制.      

对Klebanoff型转捩点实验测定方法的初步研究

近年来对边界层转捩的实验研究取得了许多进展,并已验证了最初的二维Tollmien Schlichting（T-S）波可以由不同的途径引起转捩。各种途径的区别在于叠加在二维T-S波上的三维扰动沿展向的不同分布。所谓Klebanoff型转捩是最常见到的一种型     

Feedback control of boundary layer Tollmien-Schlichting waves using a simple model-based controller

The attenuation of spatially evolving instability Tollmien-Schlichting (T-S) waves in the boundary layer of a flat plate with zero pressure gradients using an active feedback control scheme is theoretically and numerically investigated. The boundary layer is excited artificially by various perturbations to create a three-dimensional field of instability waves. Arrays of actuators and sensors are distributed locally at the wall surface and connected together via a feedback controller. The key elements of this feedback control are the determination of the dynamic model of the flat plate boundary layer between the actuators and the sensors, and the design of the model-based feedback controller. The dynamic model is established based on the linear stability calculation which simulates the three-dimensional input-output behaviour of the boundary layer. To simplify the control problem, an uncoupled control mode of the dynamic model is made to capture only those dynamics that have greatest influences on the input-output behaviour. A Proportional-Integral-Derivative (PID) controller, i.e. a lead-lag compensator, combining with a standard Smith predictor is designed based on the system stability criterion and the specifications using frequency-response methods. Good performance of the feedback control with the uncoupled control mode is demonstrated by the large reduction of the three-dimensional disturbances in the boundary layer. This simple feedback control is realistic and competitive in a practical implementation of T-S wave cancellation using a limited number of localised sensors and actuators.     

Fourier伪谱方法在不可压缩平板边界层研究中的应用

以三维不可压缩平板边界层为研究对象,扰动形式N-S方程为控制方程,从空间模式的角度,直接数值模拟了三维不稳定T-S波传播的过程.时间离散采用三阶精度混合显隐分裂格式,空间离散则结合Fourier伪谱方法及高精度紧致有限差分逼近,法向采用非等间距网格坐标变换,出口边界条件采用嵌边函数法,程序采用MPI(Message passing interface)并行方法编写.实例验证,该方法计算结果与流动稳定性分析的结果一致.      

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.     

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。     

剪切气流中无黏液体横向射流破碎机理

航空发动机燃烧室中,液体燃料的雾化过程、特别是初始雾化过程非常复杂,至今无法建立准确的初始雾化模型。忽略液体射流黏性,采用线性不稳定性分析法对无黏液体（工质为水）在二维剪切横向气流中的破碎机理进行研究。通过建立射流的色散方程,根据其表面波的增长率及波数的发展情况对射流破碎进行预测。当气体韦伯数或液体韦伯数增大时,射流表面波增长率显著增加,最佳波长明显减小。液气动量比大于临界值时,Kelvin-Helmholtz （K-H）不稳定性占主导作用;反之,Rayleigh-Taylor （R-T）不稳定性占主导作用。二维剪切气流在射流方向上具有速度梯度,只改变横向气动力对射流表面波的作用。气体韦伯数与液体韦伯数对射流破碎的作用与均匀气流相似;保持气流流量相同时,负梯度剪切气流可以加速射流的破碎。     

Improved local amplification factor transport equation for stationary crossflow instability in subsonic and transonic flows

Transition prediction is a hot research topic of fluid mechanics. For subsonic and transonic aerodynamic flows, e^N method based on Linear Stability Theory (LST) is usually adopted reliably to predict transition. In 2013, Coder and Maughmer established a transport equation for Tollmien-Schlichting (T-S) instability so that the e^N method can be applied to general Reynolds-Average-Navier-Stokes (RANS) solvers conveniently. However, this equation focuses on T-S instability, and is invalid for crossflow instability induced transition which plays a crucial role in flow instability of three-dimensional boundary layers. Subsequently, a transport equation for crossflow instability was developed in 2016, which is restricted to wing-like geometries. Then, in 2019, this model was extended to arbitrarily shaped geometries based on local variables. However, there are too many tedious functions and parameters in this version, and it can only be used for incompressible flows. Hence, in this paper, after a large amount of LST analyses and parameter optimization, an improved version for subsonic and transonic boundary layers is built. The present improved model is more robust and more concise, and it can be applied widely in aeronautical flows, which has great engineering application value and significance. An extensive validation study for this improved transition model will be performed.