《高超聲速邊界層轉捩處的激波-邊界層干擾研究》是依託中國航天空氣動力技術研究院，由沈清擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：高超聲速邊界層轉捩處的激波-邊界層干擾研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：沈清
- 依託單位：中國航天空氣動力技術研究院
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
本項目擬對高超聲速（Mach=8）邊界層轉捩處的激波-邊界層干擾現象及其動態特性進行研究，獲得邊界層轉捩、激波運動和邊界層分離耦合現象的認識。高超聲速條件下的激波-邊界層干擾是再入飛行器和高超聲速飛行器中的氣動問題，也是流體力學的前沿基礎問題。人們對於層流狀態下的激波-邊界層干擾和湍流狀態下的激波-邊界層干擾進行了深入研究，但是對於轉捩狀態下的激波-邊界層干擾問題缺乏研究。本項目以壓縮拐角模型流動為研究對象，採用風洞試驗和數值模擬相結合的方法對轉捩處的激波-邊界層干擾問題開展研究。通過數值模擬，給出邊界層轉捩位置和最不穩定波的脈動特性，指導實驗設計。通過在高超聲速風洞中開展壓縮拐角模型的流動顯示與脈動參數測量，對邊界層轉捩處激波-邊界層干擾流動的現象取得認識,與層流和湍流狀態下的激波-邊界層干擾區流動的進行對比分析，揭示其動力學特性，及其對氣動力和氣動熱的影響。
結題摘要
本項目以風洞實驗為主，數值計算為輔，研究了壓縮拐角誘導的激波邊界層干擾的現象和效應。重點關注，邊界層轉捩發生在分離區時，其對分離區的影響。研究結果表明，層流/湍流干擾的分離區尺度較大，受到分離泡的影響，熱流下降壓力上升，在分離區形成典型的熱流凹陷和壓力平台。雷諾數增加和楔角減小都會導致分離區尺度減小。湍流/湍流干擾的分離區尺度較小，湍流脈動結構促進了分離區內的熱交換導致熱流凹陷和壓力平台消失。雷諾數增加，分離區尺度變化不大，但楔角增加導致分離區尺度增加。不同於上述兩種干擾，轉捩/湍流干擾有其獨特性。當雷諾數較低時，分離區的熱流凹陷和壓力平台明顯，參數分布特徵類似於層流干擾。而雷諾數升高時，分離區內轉捩結束位置提前，從而使分離區內湍流邊界層長度相對增加，在湍流結構的影響下，熱流凹陷和壓力平台逐漸消失，分離區尺度減小。總體來說，轉捩/湍流干擾的分離區長度介於其他兩種干擾之間。當分離區內發生邊界層轉捩時，峰值熱流和壓力增加，顯著高於湍流干擾。其中，層流/湍流干擾的峰值熱流和壓力最高，分別高出湍流干擾28%和41%。從脈動量分布、主導頻率分布和非線性作用三個角度分析了邊界層轉捩發生在分離區時的脈動結構特徵。研究結果表明，當邊界層轉捩發生在分離區時，轉捩脈動與分離泡脈動同時出現共同增長。當兩者幅值足夠大時，轉捩脈動會與分離泡脈動發生非線性相互作用，從而誘導出更高的脈動結構。分離泡脈動的頻率主要集中在1kHz及以上，轉捩脈動的頻率主要集中在8kHz以上。
