高温气体效应下流动转捩及超声速模态的线性演化

对转捩的精确预测已成为飞行器气动设计的关键环节,然而转捩问题相当复杂并对诸多因素敏感。在超高速高温流动中,转捩和高温气体效应深度耦合,特别是在激波、壁面附近和分离区等速度梯度很大的区域,热化学过程对流动转捩的影响不容忽视。在自然转捩过程中,不同的扰动形式在流场中的发展各不相同,进而对转捩进程造成的影响也不同。同时,超高速边界层内存在多种模态,其中第二模态下游区域出现的不稳定的超声速模态值得关注和研究。本文通过求解线性抛物化稳定性方程(LPSE)研究了高温气体效应下流动转捩及超声速模态的演化发展。结果表明:与量热完全气体流动相比,考虑热化学过程的流动使得温度边界层更薄,类似“冷壁”的作用,进而使得扰动的超声速模态更容易出现;分子振动平衡使得流动的温度边界层进一步变薄,即使在较高的壁温条件下,扰动的超声速模态依然存在;同时,低频扰动下的超声速模态更不稳定,流动易出现转捩。此外,马赫数20、半顶角6°的尖楔绕流算例中,“冷壁”和低频扰动下的超声速模态在特定扰动波角下会出现新的变化。

高超声速高焓边界层转捩的超声速模态

随着飞行速域与空域的不断拓展,高超声速高焓边界层中的热化学非平衡(thermochemical non-equilibrium,TCNE)效应深刻影响了流动转捩过程。近年来,在第2模态下游区域出现的不稳定超声速模态引起了学者们的关注。超声速模态是指在边界层外缘处的相对Mach数大于1的模态,其传播速度快于远场的声波。采用线性抛物线稳定性方程(parabolized stability equations,PSE)理论研究了Mach数为20、半顶角为6°的尖楔绕流条件下超声速模态的临界壁温。研究发现,壁温越低,越容易出现不稳定的超声速模态。进而,探讨了平板边界层流动中不同Mach数条件下的超声速模态和扰动发展形式,发现Mach数增大,第2模态出现越早且最大增长率降低,N的峰值减小。在30 km的高空来流Mach数超过某个临界值时,扰动增长率和超声速模态的发展形式明显不同。

砂石桩-土钉墙组合支护结构的变形及稳定性分析

砂石桩-土钉墙组合支护体系具有较好的经济性及使用性。通过建立基坑体系的二维有限元弹塑性模型,运用强度折减法对砂石桩-土钉墙组合支护结构的变形及稳定性进行数值分析。计算结果表明:砂石桩能有效的控制坡体水平位移,而竖向位移仍由土钉-土体组成的“加筋体”共同约束;土钉轴力在滑裂面、砂石桩与土体接触界面轴力达到大值,土钉穿越砂石桩后轴力减小;砂石桩的破坏位置介于桩端持力层与坑底之间,破坏形式为剪切破坏。