超聲速邊界層精細結構的實驗研究

《超聲速邊界層精細結構的實驗研究》是依託中國人民解放軍國防科技大學，由何霖擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：超聲速邊界層精細結構的實驗研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：何霖
• 依託單位：中國人民解放軍國防科技大學

中文摘要

超聲速邊界層流場的精細結構與流動穩定性、轉捩、湍流等基礎問題密切相關，其研究是空氣動力學領域的熱點和難點，具有重要的科學意義和工程套用價值。超聲速邊界層具有高運動速度、大速度梯度、多尺度範圍等特點，流動精細結構的實驗研究面臨許多挑戰。本項目以基於納米示蹤的平面雷射散射技術和數字圖像分析、處理技術為基礎，通過三維流動層析測量技術和時間序列流動成像技術，對超聲速邊界層流動結構的空間三維特徵和動力學特性開展研究。同時藉助低噪聲超聲速風洞，開展超聲速邊界層轉捩過程實驗研究。本項目的開展旨在研究超聲速邊界層精細結構的時間、空間特徵，探索流動發展過程與流動結構變化規律之間的聯繫。相關研究成果可以為超聲速邊界層動力學建模、邊界層轉捩判別以及數值模擬研究提供實驗數據。

結題摘要

超聲速邊界層流場的精細結構涉及流動穩定性、轉捩、湍流等基礎問題，其研究不僅有助於加深對流動機理的認識，同時還能為新一代高超聲速飛行器研製中面臨的許多空氣動力學難題的解決提供重要的實驗數據的支撐。本研究首先對超聲速條件下平板邊界層轉捩過程精細流動結構開展研究，發現了邊界層轉捩過程中發卡渦結構的產生、發展以及破碎進入湍流的空間特性，以及邊界層結構隨時間的演化規律。通過流向和展向不同平面的測量，揭示了邊界層轉捩過程的三維特性。對湍流邊界層的脈動特性開展研究，超聲速邊界層內部在不同高度位置脈動頻率存在較大差別。結合速度和密度同時測量發現，密度脈動與質量流量脈動在機率密度分布和頻譜特性方面具有非常好的一致性，但與速度脈動相關性不大。湍流邊界層內部強烈密度脈動，及其與速度脈動的明顯差別，是可壓縮湍流邊界層與不可壓湍流邊界層的顯著區別之一。基於上述研究，對激波/邊界層相互作用、壓縮拐角等飛行器表面典型流動開展研究，發現不同狀態的邊界層流動（層流、轉捩、湍流）下，激波和壓縮拐角誘導的流動分量現象存在較大差別，對飛行器的氣動性能有重要的影響。以低噪聲風洞為基礎，開展了高超聲速邊界層研究，分別研究了光滑平面邊界層流動結構和具有不同幾何尺寸粗糙元對平板邊界層轉捩過程的控制探索，發現在低噪聲條件下，表面粗糙度對邊界層轉捩的影響並不明顯。基於工程研製的需求，對高超聲速圓錐邊界層流動開展實驗研究，相對於表面粗糙度，主流的雷諾數對邊界層轉捩過程具有更加明顯的作用。相關研究成果可以為超聲速、高超聲速邊界層動力學建模、邊界層轉捩判別以及數值模擬研究提供實驗數據支撐。