《表面粗糙元形狀對高超聲速邊界層穩定性和轉捩的影響》是依託天津大學，由劉建新擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：表面粗糙元形狀對高超聲速邊界層穩定性和轉捩的影響
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：劉建新
- 依託單位：天津大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
粗糙元誘導高超聲速邊界層轉捩問題是當前層流-湍流轉捩研究中的熱點之一，同時也特別受到航天工程界的重視，具有十分突出的研究地位。本項目將從穩定性理論出發，研究高超聲速粗糙元幾何形狀對下游尾跡流的穩定性和轉捩影響。研究首先以Kegerise的M=3.5靜風洞實驗為基礎，利用穩定性分析和數值模擬的方法研究超聲速邊界層中孤立鑽石形粗糙元下游尾跡流的穩定性和轉捩，並將理論分析和數值模擬的結果與實驗對比，驗證和評估穩定性分析和轉捩預測算法，並對轉捩預測的判據進行標定。然後研究高超聲速飛行工況時鑽石形和斜坡形粗糙元尾跡流的穩定性特徵並預測轉捩位置，得到不同工況下兩種幾何形狀粗糙元尾跡流穩定性特徵和轉捩位置的分布規律，從中總結出失穩模態的穩定性特徵與尾跡流流動剖面之間的聯繫，從而揭示粗糙元幾何形狀影響轉捩效果背後的穩定性機理。研究成果有望為進一步最佳化超燃發動機進氣道強制轉捩裝置的設計工作奠定理論基礎。
結題摘要
高超聲速邊界層轉捩問題是當前層流-湍流轉捩研究中的熱點之一，同時也特別受到航天工程界的重視，具有十分突出的研究地位。項目對粗糙元尾跡流動的全局穩定性和轉捩問題開展了研究工作。我們詳細驗證了3DLPSE方法並發展了NPSE方法，從而為高超聲速三維邊界層的穩定性研究奠定了工具基礎。對粗糙元尾跡流動的全局穩定性分析給出的失穩擾動頻率與LES基本一致，表明了粗糙元尾跡轉捩過程應與全局穩定性失穩有關。其失穩模態的特徵函式分布與基本流動的剪下特徵有直接的關聯。在某一當地位置存在著多個失穩模態。然而這些失穩模態中的部分具有相似的失穩特徵，這一點不在我們意料之中。同時，我們還利用全局穩定性和NPSE的分析方法研究了高超聲速邊界層由Mack模態導致的二次失穩問題，並且研究發現二次失穩此時與Mack模態擾動的幅值有關，當幅值較小時，亞諧失穩占主導地位，當幅值較大時，基頻失穩將主導轉捩流動主要表現為流向條紋結構。這一結果對理解高超聲速邊界層轉捩和Breakdown過程有重要意義。此外，我們還研究了壁面溫度對Mack模態的影響，給出了壁面溫度與超聲速模態之間的關係，這對於理解高超聲速壁面溫度參數對轉捩的影響有意義。
