《條帶對邊界層轉捩的影響和轉捩控制實驗研究》是依託北京航空航天大學，由郭輝擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：條帶對邊界層轉捩的影響和轉捩控制實驗研究
- 依託單位：北京航空航天大學
- 項目負責人：郭輝
- 項目類別：面上項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
邊界層內引入條帶控制轉捩是近幾年提出的新思想。現有的研究表明條帶對轉捩邊界層T-S波本身具有抑制作用，但對其二次不穩定等後續擾動發展影響非常複雜，不同的條帶條件可能導致完全相反的轉捩控制效果,目前這些問題尚不清楚。另一方面，文獻中常採用的粗糙元方法難以生成大振幅條帶，限制了其作用的發揮。本項目對此問題進一步開展流動機理和轉捩控制實驗研究，實驗擬在水洞中平板邊界層上進行。我們新近發展的展向等間距斜孔抽吸的方法能夠生成高質量的大振幅穩定條帶，同時利用人工激發T-S波實現轉捩，利用氫氣泡法和雷射片光技術觀測條帶對轉捩過程特別是後續二次不穩定引起的Λ結構及發卡渦的形成和發展的影響；利用熱膜測速技術測量整個轉捩過程中擾動的增長。分析條帶展向間距、振幅等參數對擾動增長的影響，從而找到能夠抑制轉捩的條帶條件。最後在自然轉捩邊界層中驗證條帶控制轉捩的效果，探索實際工程套用的可能性。
結題摘要
延遲邊界層轉捩是減小航行器摩阻的重要措施，上游引入穩定條帶是近幾年提出的延遲邊界層轉捩新思想，對其中的影響機制和參數影響的認識還遠不夠。此外如何生成大振幅穩定條帶來提高控制效果也是一大問題。本項研究在成功發展了一種生成大振幅穩定條帶方法的基礎上，利用氫氣泡時間線法和PIV測量技術，基於人工激發轉捩平板邊界層，系統研究了條帶對轉捩控制的影響機制和參數影響，並進一步嘗試了條帶控制自然轉捩的效果，為該轉捩控制技術的工程套用奠定基礎。主要結果： （1）展向離散抽吸方法是一種較為理想的條帶生成方法，在無量綱條帶波數為0.45條件下，能夠生成的穩定條帶的最大振幅高達28.4%U，遠高於相同條件下現有粗糙元方法能夠生成的穩定條帶最大振幅（12%U）。 （2）條帶對轉捩的控制效果取決於其對T-S波和二次不穩定發展的綜合影響。對於前一種影響前人已有明確結論，第二種影響尚無實驗結果。本研究通過在轉捩過程線性不穩定區後緣施加足夠大振幅T-S波直接激發流動二次不穩定，找到一條觀測條帶對二次不穩定影響的有效途徑。實驗結果證實窄條帶會抑制二次不穩定的發展；寬條帶卻會促進其發展。 （3）條帶控制轉捩的參數影響研究包括了條頻寬度和振幅、引入激發轉捩的T-S波的初始振幅和頻率等。結果表明在引入T-S波頻率不變條件下，對於小振幅T-S波（弱擾動）激發的轉捩，上游施加寬/窄條帶都起抑制作用；對於大振幅T-S波（強擾動）激發的轉捩，窄條帶起抑制作用，寬條帶起促進作用。條帶振幅增大，控制效果增強，但不會改變控制效果的性質（即抑制或促進轉捩）。在T-S波頻率影響實驗中發現條帶結構與轉捩過程發卡渦的耦合現象。T-S波頻率的變化會改變區分寬/窄條帶的條頻寬度閥值、以及區分強/弱T-S波擾動的振幅閥值，二者都隨T-S波頻率的增加而減小。表明寬/窄條帶和強/弱T-S波擾動的劃分是相對的，與 T-S波頻率有關。 （4）通過加長實驗平板（增大Re數）實現邊界層自然轉捩，在此基礎上測試了條帶對自然轉捩的控制效果。自然轉捩過程中擾動發展形式與人工激發轉捩相比有明顯不同，擾動發展過程中一直未能觀測到明顯的T-S波和發卡渦結構，主要表現為流動紊亂化的時空增長即間歇因子沿流向逐漸增大的過程。即便如此，實驗施加的兩種寬度的穩定條帶仍明確表現出對轉捩的抑制作用。
