非平衡流動的穩定性和最優擾動研究

《非平衡流動的穩定性和最優擾動研究》是依託清華大學，由任傑擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：非平衡流動的穩定性和最優擾動研究
• 依託單位：清華大學
• 項目負責人：任傑
• 項目類別：青年科學基金項目

項目摘要

真實氣體效應（高溫非平衡流動、熵層、薄激波層等）是高超聲速流動最重要的特點之一。高超聲速邊界層的轉捩問題對於高超聲速飛行器能否正常飛行起著非常關鍵的作用。迄今為止，此問題的研究卻常常以簡化的理想氣體為模型。本項目的研究目標是結合非平衡流動和穩定性分析（包括模態增長和瞬態增長）探究真實氣體非平衡流動的失穩機理。研究首先將建立非平衡流動穩定性分析平台，逐級構建多種真實氣體模型，並對不同氣體模型的失穩特徵進行評估。研究重點包含兩方面：一是在模態增長的角度闡明非平衡流動中是否存在類似的第一和第二模態，其激發過程是否仍包含快、慢聲波、熵波和渦波的同步；二是在瞬態增長（或稱代數增長）的角度探索非平衡流動的瞬態增長特徵，獲得最優擾動，為研究非平衡流動by-pass轉捩提供基礎。

結題摘要

高超聲速邊界層內的溫度會隨著馬赫數的升高而快速上升，極高的溫度會引起空氣的高溫效應，使得理想氣體假設失效，從而對邊界層穩定性和轉捩產生影響。項目針對高溫熱化學非平衡氣體， 利用空氣 5 組分模型開展了平板邊界層的線性穩定性分析，重點比較了熱化學過程對模態穩定性的影響，探究了離散譜模態的演化和同步過程。研究表明，對於由第二模態主導的高超聲速二維邊界層：(1) 擾動相比基本流更趨向於熱化學凍結態；(2) 擾動方程中新出現的非平衡源項的擾動項對穩定性影響很小，非平衡過程主要是通過改變基本流剖面來間接影響穩定性；(3) 聲速是第二及更高模態(Mack 模態)的重要參數，熱化學平衡態假設引起的聲速表達式的變化能夠解釋邊界層溫度 和厚度降低時第二模態頻率反而降低的非常規趨勢。項目進一步將研究推廣到一般的非理想氣體。以CO2為例，研究發現在臨界點附近，邊界層流動會出現全新的失穩模態，並主導轉捩。