《平板邊界層轉捩機理和轉捩預測方法的研究》是依託天津大學，由方一紅擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：平板邊界層轉捩機理和轉捩預測方法的研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：方一紅
- 依託單位：天津大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
邊界層轉捩是飛行器典型流動的重要過程，轉捩位置的準確預測不僅是轉捩研究的重要課題，而且對高速機翼的設計、飛彈的機動飛行和太空飛行器的再入有重要的實際意義。. 目前預測轉捩仍採用依賴經驗的eN方法，由於其判據與流動狀態有關，因此由一類流動得到的判據很難用於其它流動。而另一可行的方案是用拋物化穩定性方程（PSE）計算擾動演化，預測邊界層轉捩位置，但目前沒有合適的轉捩預測判據。. 直接數值模擬的結果表明，多類流動在轉捩位置前，平均流的穩定性特徵將發生根本性變化，波數空間的不穩定區域變得很大。本申請項目將利用這一特點，以平板邊界層為典型流場，用非線性PSE計算擾動向下游的演化，深入分析轉捩過程中平均流剖面的穩定性特徵，給出一種能描述轉捩位置的物理特徵，為用PSE方法研究預測轉捩位置提供判據，使PSE成為一種可行、簡便、可靠的轉捩預測方法。本研究具有重要的理論意義和套用前景。
結題摘要
層流到湍流的轉捩是自然界和工程實踐中廣泛存在的現象，轉捩位置的準確預測是流體力學研究的重要和實際課題。本項目深入分析邊界層轉捩過程中平均流穩定性特徵的改變，給出了轉捩位置物理特徵的描述。在擾動演化的線性階段，拋物化穩定性方程（PSE）的計算結果和DNS結果相符，在非線性階段，擾動沿流向演化很快，PSE方法在轉捩位置附近時計算會發散，此時也是壁面摩擦係數（Cf曲線）快速變化的起始點，由此可以定為PSE預測轉捩的判據。 在邊界層轉捩機理的研究中發現，與轉捩直接相關的應該是三維波的快速增長，二維波起著輔助、促進的作用,即存在二次失穩機制。在超聲速邊界層中還存在一種斜波失穩機制,即一對三維波不需要二維波的激勵,由於非線性作用而引起邊界層失穩。對於低超聲速邊界層，斜波失穩是導致邊界層轉捩的主要因素；對於高超聲速邊界層，當二維波閾值達到0.1%時，二次失穩就可以導致邊界層轉捩，同樣的幅值下斜波失穩可以激發邊界層內的不穩定波，但不能導致邊界層轉捩。翼型邊界層的轉捩預測具有廣泛的套用背景。本項目以二維翼型邊界層為研究對象，建立層流邊界層基本流求解模型，發展了二維曲面坐標系的PSE方程，給出了該方程的數值求解方法。研究表明小幅值情況下,曲率對邊界內的擾動有穩定的作用，可以抑制高頻擾動的產生從而推遲轉捩。通過對翼型邊界層的計算，發現翼型的順壓區對擾動具有穩定作用；而逆壓區內的擾動變得很不穩定，更容易發生轉捩。翼型邊界層存在最不穩定的擾動波頻率，該最不穩定頻率隨來流速度而變化，攻角會改變最不穩定波的頻率，對轉捩位置有明顯影響。PSE計算得到的N值與理論和實驗值一致。因此可以得出結論：PSE是有效預測機翼邊界層轉捩位置的工具。PSE方法只解決了擾動如何演化，而如何估計初始擾動，外界擾動如何傳入邊界層而演變成邊界層內的擾動，就涉及到感受性問題。用PSE方法與感受性理論結合研究聲擾動的演化，可擴展PSE方法在擾動演化和轉捩預測中的套用。本研究項目增加了這方面的內容。改進了PSE計算方法，得到符合慢聲波特點的計算格線和上邊界條件。利用可解性條件將慢聲波向T-S波分解，分析慢聲波是否能激發不穩定T-S波。基於感受性理論給出初始擾動，計算擾動向下游的非線性演化。發現擾動的增長與擾動的頻率及展向波數有關，而增長的高頻擾動並不完全是第二模態不穩定波。
