壁面渗透气膜工质对圆锥高超声速边界层稳定性的影响

壁面渗透气膜是一种有应用前景的高超声速边界层转捩控制和减阻降热方式.在马赫数6高超声速静音风洞内,使用纳米粒子示踪的平面激光散射(nano-tracer planar laser scattering,NPLS)技术和高频脉动压力测试技术,研究了壁面渗透气膜工质(氦气、空气和二氧化碳)在相同体积流量条件下对圆锥高超声速边界层的影响.实验结果表明,壁面渗透气膜显著增厚了边界层,最厚位置都出现在渗透区域下游边界处,且氦气气膜时边界层最薄,二氧化碳气膜时最厚.通常,空气气膜和二氧化碳气膜使得边界层内提前出现规则的绳状交织的第二模态波结构,但体积流量较大条件下二氧化碳气膜时,扰动波结构类似剪切层不稳定性.氦气气膜时,扰动波结构不是第二模态波,其形状不规则,随时空变化较大,壁面脉动压力功率谱密度没有出现峰值频率.空气气膜时第二模态波波长大约是边界层厚度的2—3倍,而二氧化碳气膜时增大到3倍以上.二氧化碳气膜时第二模态波峰值频率最小,频带范围最窄,波长最长,幅值最大,扰动波传播距离较远且非线性相互作用较强.

基于POD方法的高超声速边界层转捩判定方法

高超声速边界层转捩是高超声速飞行器设计的关键基础问题之一.为了研究高超声速边界层转捩,在风洞中,对平板模型进行了M=5的实验,在模型中心沿流动方向使用PCB脉动压力传感器对脉动压力时间序列进行采集.文章将本征正交分解(proper orthogonal decomposition,POD)方法引入高超声速脉动压力数据处理中,发展了单点POD分析方法.经验证,使用该方法重构数据的均方根(root mean square,RMS)峰值位置可表征转捩位置,实用性强.

高超声速边界层中模态转化的数值研究

在高超声速边界层中,第一模态和第二模态是与转捩有关的两个主要不稳定模态.除了不稳定模态,还存在一类稳定模态,其相速度在前缘接近快声波的相速度称为快模态.在感受性过程中,这类模态对激发边界层中不稳定模态起着很重要的作用.前缘感受性理论解释了边界层外扰动激发边界层中第一模态波的机理.针对高超声速平板边界层,利用相似性解剖面作为基本流,采用线性稳定性理论和直接数值模拟的方法研究了快模态和慢模态的稳定性行为.研究发现模态转化的位置与马赫数有关.根据线性稳定性理论的结果定义了临界频率.当扰动频率高于临界频率,第一模态与第二模态同支;而当扰动频率低于临界频率,第一模态与第二模态的共轭模态同支.借助稳定性方程的伴随方程分析了直接数值模拟的结果.直接数值模拟结果表明不论上游是快模态还是慢模态,当它们经过第二模态的不稳定区,它们都会演化成第二模态.这可用模态在非平行流中传播的特征来解释.

基于小波变换的高超声速边界层动态图像分析

利用小波变换技术,研究高超声速下动态尖锥周期俯仰摆动的边界层转捩图像。通过基于二维小波变换的图像消噪和图像增强算法,优化动态实验图像,根据小波变换图像的奇异性提取沿时间历程变化的尖锥边界线和边界层图像,得到尖锥的俯仰摆动周期和迎角变化范围。结果显示边界层厚度的变化周期与尖锥的俯仰摆动周期存在相位差,随着迎角增大,背风面转捩点向尖锥前缘移动。实验结果表明,基于小波变换的图像处理技术不仅能够作为高超声速尖锥实验流动显示进行定性观察,还可以实现对高超声速边界层转捩实验的精确观测和定量分析,成为一种重要的量化和自动化的实验技术和分析手段。

表面热膜在高超声速边界层中的应用

本文针对标准 1 0°圆锥在不同攻角下边界层的转捩和流动分离现象进行了试验研究。在高超声速情况下 ,应用表面热膜试验技术测得了 1 0°圆锥在不同攻角下的壁面摩擦应力和动态信号数据。试验研究结果表明表面热膜技术可以成功地应用到高超声速的边界层研究中。所得到的数据有助于正确理解高超声速的边界层的特性。特别是驻点线上 。

一种非介入式高超声速边界层不稳定波的测量方法

地面风洞实验是开展高超声速边界层转捩研究的主要手段之一,但是目前可用于高超声速边界层三维空间测量的实验技术仍极为缺乏,且已有测量技术的动态响应频率普遍较低。基于光的折射和干涉原理,搭建了一套非介入式聚焦激光差分干涉仪测量系统(Focused Laser Differential Interferometry,FLDI),可有效获取三维流场空间点的密度变化。在马赫数为8的常规高超声速风洞中,使用FLDI开展了来流雷诺数10 7/m、7°半锥角尖锥标模边界层的不稳定波测量实验。结果显示FLDI成功捕获到频率在327 kHz的第二模态不稳定波及其谐波(645 kHz)。通过与PCB测试结果进行对比,FLDI的高信噪比、高解析频率(本文实验有效解析频率1.5 MHz)、高空间分辨率(沿流向小于1 mm)等优点得以体现。鉴于FLDI的高时空分辨率等优良特性,其可用于高超声速边界层不稳定波行为以及感受性等问题的研究,为深入认识高超声速边界层转捩机制以及感受性问题提供了有效手段。

高超声速边界层感受性研究综述

高超声速边界层感受性是边界层转捩预测与控制的关键环节,其对高超声速飞行器研究至关重要。目前关于高超声速边界层感受性的实验研究仍然十分匮乏,为了更好地理解高超声速边界层感受性过程并指导该领域的实验研究,文章梳理了近20年来国际上高超声速边界层感受性问题的研究内容,包括对自由流扰动和壁面扰动的感受性,并主要介绍了Fedorov的前缘感受性理论和模态转化机制。最后总结了自由流扰动中感受性的不同发展路径。

6°攻角尖锥高超声速边界层高频不稳定波实验研究

边界层转捩对高超声速飞行器的气动力和气动热设计有重要影响。横流失稳通常是三维边界层转捩的主导因素,而在噪声环境下,第二模态不稳定波的影响也不容忽视。为深入理解带攻角情况下高超声速边界层的转捩机理,在Mach 6 Ludwieg管风洞中采用聚焦激光差分干涉仪(Focused Laser Differential Interferometer,FLDI)和高频压力脉动传感器(PCB)对6°攻角尖锥进行了边界层稳定性实验研究。实验结果显示,在尖锥边界层的不同周向位置存在高频不稳定波。通过功率谱分析和双谱分析,得到该不稳定波沿母线的变化情况以及该高频不稳定波与低频信号(20~40 kHz)之间存在的非线性相互作用。

激光聚焦扰动作用下高超声速边界层稳定性实验研究

在马赫数6、单位雷诺数3.1×10~6/m的条件下对半锥角7?直圆锥边界层稳定性开展了实验研究.以激光聚焦于流场中局部空间而产生的膨胀冲击波作为人工添加的小扰动,分析了该扰动对高超声速圆锥边界层流动稳定性的影响.实验中利用响应频率达到兆赫兹量级的高频压力传感器对圆锥壁面脉动压力进行测量,通过对压力数据进行短时傅里叶分析和功率谱分析发现,相比于不添加激光聚焦扰动的结果,添加激光聚焦扰动使边界层中第二模态波的出现位置提前,且扰动波的幅值大幅度地增加,在相同的流向范围内,激光聚焦扰动将边界层中的扰动波从线性发展阶段推进到非线性发展阶段,其对边界层中扰动波发展的促进效果明显.同时,激光聚焦位置的不同对边界层中扰动波的发展也具有不同的影响.当激光直接聚焦于圆锥壁面X=100 mm位置时,边界层中频率为90 kHz的扰动波幅值增长最快,在X=500 mm的位置处其幅值放大倍数为3.81,相比而言当激光聚焦位置位于圆锥前方自由来流中时,边界层幅值增长最快的扰动波频率大幅减小为73 kHz,相同范围内,其幅值放大倍数为4.51倍.由此可见,当激光聚焦位置位于圆锥上游的自由来流中时,其对边界层中扰动波的影响更为显著.

带轴对称台阶的圆锥高超声速边界层转捩试验

在Ma 6风洞内,通过高频脉动压力测试技术和基于纳米粒子示踪的平面激光散射(NPLS)技术,分别对带前向、后向轴对称台阶的圆锥高超声速边界层转捩进行了试验研究。采用功率谱密度分析和互相关计算等方法对脉动压力数据进行分析,得到了边界层中扰动波的发展规律,定量分析了第二模态波的相关参数。结果显示:两种模型中第二模态波在沿流向向下游发展的过程中,其幅值均先增大再衰减、特征频率均逐渐减小;特征频率和传播速度整体上均随雷诺数的增大而增加(后台阶模型中特征频率由100 k Hz增至196 k Hz,前台阶中则由97 k Hz增至174 k Hz)、波长变化规律则与之相反(后台阶中由6. 35 mm降至4. 54 mm,前台阶由7. 35 mm降至4. 66 mm);后台阶模型中第二模态波初次出现位置比前台阶中更靠近上游,边界层转捩位置较前台阶前移。将NPLS结果与高频脉动压力测试结果进行对比,两者吻合较好。

超声速/高超声速边界层转捩后期流场的模态分析

将动力模态分解(DMD)方法应用到超声速和高超声速边界层转捩后期的流场分析中,通过获得流场主要的相干结构和对模态的重构,研究了相干结构与壁面阻力和热流的关系。结果表明超声速和高超声速边界层转捩的流场结构存在明显差别。超声速转捩流场由低频流向涡的模态主导,这些模态对转捩后期的壁面阻力和热流有重要贡献;高超声速转捩流场中存在多个不同量级频率的模态,在DMD频谱上表现为多个不同的分支,通过对不同分支能量最高的模态进行考察,我们发现低频模态的结构为流向条带,高频模态的结构为二维扰动波,这些模态对壁面阻力和热流的影响与模态的结构形式类似。

粗糙元对零攻角尖锥模型高超声速边界层转捩的影响研究

高超声速边界层转捩控制一直是空气动力学研究的热点。粗糙元延迟边界层转捩作为近些年才开始研究的内容,目前仍有诸多现象与机理尚未探究清楚。借助于华中科技大学Φ0.25 m Ma6 Ludwieg管风洞,本文研究了不同位置单粗糙元、多粗糙元与在不同来流情况下粗糙元对边界层转捩以及第二模态不稳定波发展的影响。风洞实验使用PCB132系列高频压力传感器获取尖锥壁面压力脉动信息,通过傅里叶积分变换与互相关分析获取压力脉动功率谱密度与第二模态不稳定波传播速度,对PSD数据计算获取第二模态不稳定波增长率。结果表明,当第二模态不稳定波经过粗糙元时,不稳定波幅值会有明显的减小,但其频段不稳定波的增长率会增大并最终导致转捩的结束点被提前。同时,粗糙元对第二模态不稳定波传播速度无明显影响。

基于HLNS方法对高超声速边界层中非模态扰动演化的研究

高超声速边界层转捩是航天飞行器设计中的基础难题,发生在线性失稳区上游的亚临界转捩是常规风洞实验中常见的现象.亚临界转捩一般是由非模态扰动的演化及二次失稳触发的,为了揭示局部突变对高超声速边界层亚临界转捩的影响机理,发展了基于谐波型线性化Navier-Stokes(HLNS)方程及其伴随系统的描述非模态扰动演化的求解框架.该框架的优点是不改变原始系统的椭圆型特性,因而可以处理非模态扰动(条带)在局部突变附近的快速畸变.针对马赫数为5.96、攻角为-4?的高超声速钝平板边界层,研究了不同深度凹槽对条带幅值的影响.数值结果表明凹槽对条带有促进作用,这与实验中发现的规律定性相符,且存在使促进作用最大的最优凹槽深度.

局部散射理论在高超声速边界层转捩预测中应用的检验

e^(N)方法是物理意义明确的转捩预测方法之一,但它无法考虑边界层中的局部突变(如粗糙元、缝隙、台阶等)对转捩的影响.而后者在飞行器表面经常出现.近期发展的局部散射理论框架提供了该问题的有效解决途径.该理论框架从转捩的物理机理出发,定量刻画局部感受性和线性模态的局部散射两个机制,并用参数化的感受性系数和透射系数修正转捩判据.为了验证该理论框架的有效性,设计了一套高超声速边界层的直接数值模拟方案:分别在光滑壁与粗糙壁两种工况下引入相同的初始失稳模态,计算它们触发转捩的过程,并定量考察粗糙元对转捩的影响.数值模拟结果与描述线性模态局部散射机制的理论预测吻合很好.

基于APSE确定高超声速边界层第二模态中性曲线下支

在高超声速边界层流动中,由于存在非平行效应以及激发Mack第二模态时的模态同步机制,因此在进行转捩预测研究时,中性曲线下支的确定需要考虑到这两方面的影响。全文针对高超声速平板边界层,首先采用线性抛物化稳定性方程(LPSE)对考虑感受性的中性曲线下支进行了求解,研究发现该方法存在两大难点:一是计算入口需要给定的离散模态在衰减区求解困难;二是由于存在快、慢模态的同步机制,所以在实际计算时,需要分别计算两次离散模态的演化以确定中性曲线下支,计算效率较低。基于以上问题,本文提出了一种基于伴随抛物化稳定性方程(APSE)来计算非平行边界层稳定性的方法,并以此确定考虑感受性的中性曲线下支位置。该方法从Mack模态的增长区开始进行计算,因此有效地解决了使用LPSE方法计算时所存在的问题。在不同工况下,与线性稳定性理论(LST)以及LPSE给出的预测结果进行了对比。从对比结果中可以看出该方法给出的预测结果与LPSE给定上游主导模态的预测结果一致,同时不必依赖于入口初值的选取且效率更高。该方法有进一步发展的潜力,可以有效地应用于高超声速边界层转捩的预测研究中。

用电子束荧光技术研究高超声速边界层中的扰动现象

利用电子束荧光技术对高超声速平板边界层中的扰动现象进行实验研究，实验在炮风洞中进行，自由流马赫数为7.8，单位长度雷诺数为3.5×107/m，测量了平均密度分布、脉动密度分布，并获得了湍流密度脉动的互相关分布和频谱分布。实验结果表明在过渡区中有序与随机现象并存。

高超声速边界层基频二次失稳条纹结构的稳定性

近年来在高超声速边界层的直接数值模拟和静风洞实验研究中,相继发现了边界层转捩前出现的典型基频模态二次失稳现象,其主要成分为流向条纹结构。全文以高超声速平板边界层为研究对象,采用线性稳定性分析和二次稳定性分析的方法,对边界层内条纹结构的产生机制和无黏稳定性特征进行了研究。结果表明:首次失稳扰动幅值对二次失稳类型有影响。当首次失稳扰动幅值较大时,基频模态占主导,其主要成分为条纹结构,表现为流向涡。该条纹结构存在着多个无黏失稳模态,其中低频模态对应于第一模态在三维边界层内的扩展,高频模态对应于可压缩的第二模态。这一研究成果为进一步开展高超声速边界层转捩机制研究奠定了基础。

高超声速钝楔边界层最优增长扰动及其二次失稳研究

最优增长扰动理论是近年来高超声速边界层非模态失稳现象研究中的主要理论之一,可被看作一种对非模态扰动增长的工程化估计。本文以高超声速钝楔边界层为研究对象,采用最优增长理论和二次失稳分析方法,对钝楔边界层的非模态失稳特性进行了研究。结果表明,在平楔面各个工况的有限计算域中无法找到不稳定模态扰动,非模态的最优增长扰动可获得较大的能量增益。研究还发现,最优扰动的能量增益随马赫数的增加逐渐减小,而壁面曲率对最优扰动的增长起促进作用。但是,由于不同曲率条件下对应的最大能量增长扰动的展向波数存在一定差异,因此变曲率的等熵压缩面不存在统一的变化规律。进一步,研究还采用非线性抛物化稳定性方程研究了零频率最优扰动的非线性演化,并以最优扰动形成的条纹边界层的二次稳定性为基本流,采用线性理论进行了二次失稳分析,发现最优增长扰动形成的条纹结构具有较强的二次失稳增长率,这有利于下游边界层转捩成湍流。该研究结果对设计高速飞行器前体进气道的强制转捩装置有一定参考意义。

钝度对高超声速钝锥边界层稳定性的影响

采用直接数值模拟方法计算了8个不同球头半径的钝锥基本流,运用线性稳定性理论分析了钝度对边界层稳定性的影响。结果表明,随钝度增大,边界层内的不稳定区向下游移动,第二模态的最大增长率减小。在线性稳定性分析的基础上,研究了非线性扰动演化以及平均流修正对稳定性的影响。结果表明,在基本流中引入有限幅值扰动后,下游的平均流剖面会发生明显改变。流场稳定性发生显著变化,线性阶段最不稳定的第二模态波变得稳定,而第一模态波明显增长起来。第一模态波的快速增长使N值可以达到4,这将会对转捩有很大的促进作用。

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。