《高超聲速邊界層自然轉捩中的感受性研究》是依託天津大學，由蘇彩虹擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：高超聲速邊界層自然轉捩中的感受性研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：蘇彩虹
- 依託單位：天津大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
轉捩預測是高超聲速飛行器設計中面臨的一個重要但尚未解決的問題。目前工程上套用最廣泛的轉捩預測方法用在高超聲速邊界層中並不成功。原因是，原有的方法沒有考慮邊界層內擾動波的產生機制，即邊界層對外界擾動的感受性。沒能給出一個物理意義明確、可由實驗直接檢驗的轉捩判據。而對高超聲速邊界層，缺乏足夠的實驗和經驗去應對由這兩個不足導致的不確定性。為此，本項目擬採用理論分析與數值計算相結合的方法，以高超聲速平板、小鈍頭圓錐為研究對象，研究自由流中聲波、渦波、熵波激發邊界層內模態的機理，及邊界層內不穩定波的激發機制。以期得到外界自由流擾動特性與邊界層內主導轉捩的不穩定波之間的定量關係，為發展可用於高超聲速邊界層中的轉捩預測方法提供可靠的科學依據。
結題摘要
高超聲速邊界層的轉捩預測是高速飛行器設計中的一個重要問題。轉捩預測中一個重要的基本問題是，外界擾動如何進入邊界層，產生能夠觸發轉捩的擾動，即感受性問題。本項目以高超聲速平板、小鈍頭圓錐邊界層為研究對象，細緻研究了高超聲速邊界層內不穩定波的產生機制。圍繞著感受性的不同階段和具體過程，本項目開展了以下內容的研究： （1）採用理論方法和直接數值模擬方法，研究了自由流擾動和斜激波的線性作用；（2）以高超聲速大鈍頭圓錐邊界層為研究對象，採用直接數值模擬方法結合理論分析，細緻地研究了第一、第二模態擾動具體的感受路徑；（3）以超聲速平板邊界層為研究對象，研究了邊界層快/慢模態對第二模態的模態轉換過程。研究發現：（1）激波捕捉法可以準確地描述外界小擾動和激波作用在激波後產生的各種擾動波，得到與理論分析高度一致的結果；（2）以外界擾動為慢聲波的情況為例，對於頻率較低的第一模態波的激發，激波後產生的慢聲波起主導作用；而對於頻率較高的第二模態波，邊界層內首先激發快模態，但最終起主導作用是熵層中的擾動。熵波和渦波激發第二模態的機制本質上與慢聲波相同。（3）通過定義模態換係數來描述中性點處第二模態的幅值，並將模態轉換區間考慮在內，可以發展考慮模態轉換的轉捩預測方法，並採用拋物化穩定性方程的方法對其可靠性進行了驗證。本項目的創新點在於，以往國際上的感受性研究都是籠統地以外界擾動為輸入、邊界層不穩定波為輸出，無法提供內部具體的感受過程。本項目首次分析了具體的感受途徑，打開了感受性的黑箱子，從而得以深入了解其內在過程，理解何種擾動在何處最有效激發了邊界層內的不穩定波。項目所得結果為發展基於科學理論的高超聲速邊界層的轉捩預測方法提供了重要的理論基礎。
