《高湍流度條件下曲面邊界層轉捩：機理和預測》是依託天津大學，由吳雪松擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：高湍流度條件下曲面邊界層轉捩：機理和預測
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：吳雪松
- 依託單位：天津大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
設計高性能渦輪發動機的關鍵問題之一是精確預測葉片附近的流動狀態和轉捩位置。由於受來流中高強度湍流和葉片表面曲率的影響，葉片邊界層的轉捩過程十分複雜，其物理機理仍然不甚明了，目前工程計算和設計只能依賴經驗公式。但這些經驗公式是從有限工況下所做的少數實驗歸納出來的，而且忽 略了若干重要物理參數，它們的可靠性和適用範圍很有限。本項目將系統地研究高湍流度條件下曲面邊界層轉捩的基本機理，在此基礎上發展一個高效、基於第一原理的轉捩預測方法。具體包括： 利用非線性'邊界區方程'這一有效數學理論，預測葉片邊界層的三維流動，包括條紋結構(streaks)、Gortler渦的形成和演化；通過分析條紋結構、Gortler渦的二次穩定性，建立增長率、失穩位置與來流湍流特性、表面曲率之間和壓力梯度之間的定量關係；基於二次失穩增長因子，提出轉捩準則，從而預測轉捩位置與來流湍流特性、表面曲率和壓力梯度之間的定量關係。
結題摘要
本項目的套用背景是渦輪發動機，其流動的兩個重要特徵是：高強度來流湍流和較大的葉片曲率，這兩個因素直接支配著葉片邊界層的穩定性和轉捩過程。本項目著重研究了轉捩過程中關鍵的第一步：來流中的擾動進入（穿透）邊界層而形成條紋結構或Gortler渦的過程，我們將之稱為“捲入過程（entrainment)”。描述“捲入過程”的數學方法之一是“邊界區方程理論（Boundary-region equation approach）”，它考慮的是來流中的低頻（長波）擾動，其波長與基本流的尺度相當，所以非平行性顯然是首階效應。關於“捲入過程”的另一種理論是“連續譜方法 (continuous spectrum approach)”，該方法則完全忽略了非平行線性效應。長期以來，人們認為穩定性方程 (運算元）的連續譜代表來流中的渦量擾動，對應的特徵函式刻畫“捲入”到邊界層內的擾動的分布。基於這一概念，“連續譜方法”被廣泛採用，尤其在直接數學模擬（DNS）中，它被用來提供入口邊界條件。但我們的研究發現，連續譜呈現不可接受的非物理特徵，包括：Fourier分量纏繞（entanglement of Fourier components)，反常各向異性 （abnormal anisotropy）, 以及在可壓縮流動時出現“渦波-熵波纏繞 (vorticity-entropy entanglement)。出現這些非物理特徵的原因是由於“連續譜理論”忽略了非平行性。我們發展了關於“捲入”的漸進理論，發現對波長與邊界層厚度相當或更短的擾動，非平行性總是首階效應，正確計入此效應後，所有的非物理特性完全消失。同時，我們的理論顯示，波長大於邊界層厚度的擾動在邊界層外緣導致形成條紋結構或Gortler渦。本項研究糾正了一個長期存在的關於連續譜的錯誤概念，同時我們的漸進理論與“邊界區方程理論”一起能描述所有波長擾動的“捲入過程”。套用這些方法，我們研究了隨機來流擾動下Gortler渦的形成。有關非線性Gortler渦的演化和二次穩定性的研究，正在繼續中。受以上結果的驅動和啟發，我們發展了關於非平行性一種新的非微擾理論；另外，我們研究了高超音速繞楔邊界層對來流擾動的回響和感受性，發現來流聲波、渦波或熵波中的任何一種都能單獨激發不穩定波，這是一個全新的、非常有效的感受性機理。
