基本介紹
- 中文名：誘導轉捩
- 外文名：bypasstransition
- 別名：大擾動轉捩
- 定義：有限擾動引發的直接非線性轉捩
- 一級學科：航空科技
- 二級學科：流體力學
簡介,局部大擾動誘導轉捩的物理機理研究,研究介紹,結果與討論,
簡介
線性穩定性理論無法解釋鈍體頭部邊界層的失穩機制。因為，根據這個理論，鈍體頭部流場，對所有單頻波的擾動都是穩定的。因而，利用這種方法對鈍體進行的轉捩預測，其轉捩位置都在遠離頭部的錐身上。但widhopf和Hall的地面實驗表明，在某些條件下，轉捩位置是在鈍錐的頭部，並不是在錐身。這一點也可以從美國的NRV、回收的Gemini返回艙以及我國神州一號返回艙的燒蝕外形上得到了證實。
近年來，人們已經認識到並開始研究的誘導轉捩現象。它不同於通常所說的小擾動轉捩或自然轉捩。自然轉缺是當流動超過臨界雷諾數後，由理論上無限小振幅的擾動引起的，大體上由以下3個主要階段組成：(1)首先由層流邊界層內有選擇性的小擾動，形成二維不穩定的T-S波；(2)隨著擾動增長，導致三維非定常擾動波的形成；(3)三維擾動波的繼續發展，使得在當地高渦量處產生湍流斑。湍流斑的持續出現和擴散，最終形成湍流邊界層。誘導轉捩實際上有限幅值擾動引發的直接非線性轉捩，又稱為大擾動轉捩。這種類型的轉捩，本質上是由某種形式的非線性擾動引起的。當這種擾動強度大到能夠直接激勵出非線性相互作用時，擾動的演化過程將跳過自然轉捩的前兩個階段，直接形成湍流斑，從而迅速進人湍流。在此過程中，擾動的非線性增長是湍流斑形成的主要原因。它既可發生在流場中的線性不穩定區域，也可發生線上性穩定的區域中。
局部大擾動誘導轉捩的物理機理研究
研究介紹
該研究利用高精度、高解析度緊緻格式，以及激波裝配和在出口邊界處高解析度的無反射邊界處理技術，對鈍錐端頭超聲速部分的曲壁邊界層內的局部有限幅值擾動的演化過程，進行了直接數值模擬。模擬結果，清楚地揭示了誘導轉捩的發生、發展過程和非線性相互作用的物理機制。
圖1
結果與討論
初始流場的狀態參數為：Ma=6.0，Re=1000000，T∞=100K，TW=300K。計算外形是6°鈍錐。為提高效率，在計算時，先採用軸對稱N-S方程和激波裝配技術。計算格線點為241×241。在得到軸對稱流場的結果後，利用絕熱流動總熔相等的概念確定鈍頭體的邊界層的名義厚度δ，取1.5占作為法向高度；流向取聲速線以後部分，約40°到球、錐結合處；周向取90°周角範圍作為直接數值模擬的計算區域。格線系統見圖1。初始擾動的形態如圖2所示，圖2是法向坐標面上的流向擾動速度。
圖2
該研究利用數值方法，採用更接近真實物理過程的空間模式，模擬了引人球錐端頭超聲速邊界層流動中的類似湍渦結構的非線性擾動的演化過程，研究了反轉旋渦導致流動失穩的物理機制，得到了下面的結論：
(1)初始擾動的渦結構的形態對是否能最終導致流場失穩有很大關係。渦結構的法向尺度太小或渦系的中心位置過於靠近壁面，在一定時空的範圍內，不會造成流動失穩。
(2)脫渦頻率也是能否導致流場最終失穩的關鍵參數之一。只有當脫渦頻率達到一定程度時，才有湍流斑出現。
(3)在一定條件下，三維流動中引人的渦結構將發生對並和拉伸，擾動幅值迅速增長。並將最終導致層流流動的崩潰。
(4)湍流斑與流場中渦的對並、拉伸以及誘導出新的渦結構有關，但並非是由於“發卡”的兩臂崩潰造成的，而是由於“發卡”的頭部變形和不斷誘導出新的渦結構,以及渦結構之間的相互作用造成的。
(5)誘導轉捩是由於擾動直接激勵起的類似湍渦這樣的非線性結構的運動、發展造成的，沒有出現線性失穩的過程。
