靜來流條件下高超聲速邊界層流向曲率效應研究

《靜來流條件下高超聲速邊界層流向曲率效應研究》是依託中國人民解放軍國防科技大學，由趙玉新擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：靜來流條件下高超聲速邊界層流向曲率效應研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：趙玉新
• 依託單位：中國人民解放軍國防科技大學

中文摘要

靜來流條件下高超聲速曲壁邊界層研究具有重要的軍事和經濟價值，在曲率的影響下，流場的感受性、轉捩、湍流與抗分離特性，呈現出更為複雜的物理機制。本項目擬採用高超聲速靜風洞、直接數值模擬和氣動反設計相結合的手段，對高超聲速邊界層轉捩途徑與不穩定渦結構的曲率效應進行研究。通過流場精細結構測量方法,獲得高解析度的渦結構、密度場與速度場分布。以測量的精細結構參數作為邊界條件的約束，開展靜風洞真實來流條件下的直接數值模擬研究，得到更細緻、全面的流場數據，並進行轉捩途徑與渦結構運動分析。在實驗與數值模擬數據的基礎上，進行時均與統計參數建模，提出曲率修正模型，為高超聲速飛行器設計提供重要的數學工具。項目研究將有助於揭示曲率影響下的高超聲速邊界層流場的運動規律，並促進風洞實驗、數值模擬與氣動設計的高度融合，帶動相關研究方向的發展。

結題摘要

長期以來，針對邊界層的研究主要集中於平板邊界層，但在實際中，流向曲率對邊界層的影響在飛行器內外所有與流動接觸的表面廣泛存在，不可迴避。在曲率的影響下，流場的感受性、轉捩、湍流等特性，呈現出更為複雜的物理機制。在此背景下，本項目以超聲速曲壁邊界層為研究對象，綜合採用納米粒子平面雷射散射（NPLS）、粒子圖像測速（PIV）和直接數值模擬（DNS），系統研究了流向凹曲率、逆壓梯度和流向凸曲率對邊界層的影響。本項目首次在超聲速條件下通過實驗直接觀測到了曲壁層流邊界層在轉捩過程中形成的Görtler渦及其二次曲張不穩定性。流向凹曲率會顯著促進超聲速湍流邊界層中發卡渦的生成，並多集中分布於VLSMs區域。流向曲率效應對過渡層、對數率層和尾跡區的影響明顯：過渡層面積增加；對數率層斜率減小，影響範圍整體外移；尾跡區強度增強。湍流結構的變化是導致邊界層時均和統計參數沿流向變化的主因，受流向曲率影響，邊界層中下洗事件明顯增強，攜帶大量高動量流體直達內層，提高線性底層的速度梯度，並增強了過渡層和對數率層內的動量摻混，減小對數率層斜率。引起對數率層湍流脈動大幅提高與引起對數率層時均速度隨法向高度斜率減小的物理機制是一致的。為釐清流向曲率和流向逆壓梯度各自對超聲速湍流邊界層的影響，設計了一個逆壓梯度平板邊界層實驗。結果表明逆壓梯度會增強邊界層的主應變率、湍流度和雷諾應力，離心不穩定性對邊界層的湍流特性影響顯著。通過給出壓縮波與發卡渦包相互作用的物理模型，揭示了壓縮波影響湍流邊界層中大尺度結構的物理途徑。為研究流向凸曲率和流向順壓梯度的影響，設計了一個流向壓力梯度為零的超聲速凸曲壁邊界層。結果顯示流向順壓梯度和流向曲率對邊界層的時均速度分布具有相似的重塑效果。流向順壓梯度和曲率對流向湍流脈動均有抑制作用，但它們對法向湍流脈動的作用效果相反。後向渦的數量和強度對是影響零壓力梯度和順壓梯度凸曲壁邊界層湍流特性的關鍵。