超声波吸收层延迟高超声速边界层转捩的机理研究

An ultrasonically absorptive coating can delay the transition of hypersonic boundary layer transition by suppressing the second mode instability, in turn, reduce the weight and complexity of thermal protection systems of hypersonic vehicles. Viscous dissipation and heat conductivity play a significant role in suppressing the second mode instability and are related to the geometry of ultrasonically absorptive coating. Up to now, the geometry effect on performance of ultrasonically absorptive coating has not been investigated experimentally. Besides, resonant acoustic modes are caused by the coupling of small scale scattered waves generated by neighboring pores. However, the resonant modes have not been verified by experiments. This project mainly focuses on experimental study. The static tests are conducted to measure reflection coefficients for varied ultrasonically absorptive coatings and verify the resonant modes. Combining with reflection theory, the geometry effect on its static performance is explored. The wind tunnel tests are performed to analyze the features of wall pressure for different ultrasonically absorptive coatings and understand the development of ultrasonic waves. Combing with linear stability theory, the geometry effect on its dynamic performance is investigated. Finally, the rarefied effect is discussed by using the concept of slip flows in the models. This project aims at completing the mechanism of delaying hypersonic boundary layer by ultrasonically absorptive coating and providing an analysis method and a scientific basis for ultrasonically absorptive coating design.

超声波吸收层能够抑制高超声速边界层中的第二模态波，延迟边界层的转捩，从而降低飞行器热防护系统的重量和复杂度。其中，粘性耗散和热传导效应对超声波吸收层的吸波特性起着重要作用，并且与超声波吸收层的几何外形紧密相关。目前，尚缺乏超声波吸收层几何外形对其吸波特性影响的实验研究。另外，超声波吸收层产生的声学共振模态仍然没有得到实验验证。本项目以实验为主要研究手段，开展静态实验，分析超声波的反射系数，同时验证声学共振模态的存在。结合反射理论，研究超声波吸收层几何外形对其静态吸波特性的影响。进行风洞实验，分析超声波吸收层平板的壁面压力信号特征，揭示超声波的演化情况。结合线性稳定性理论，研究超声波吸收层几何外形对其动态吸波特性的影响。在理论模型中引入速度滑移边界，探索稀薄气体效应对吸波特性的影响。通过这些研究，完善超声波吸收层延迟高超声速边界层转捩的机理，为其设计提供全面的分析方法和科学依据。

超声波吸收层是一种由规则或者随机结构微腔构成的薄层。其能够抑制高超声速边界层中的第二模态波，延迟边界层的转捩，实现降热减阻，从而降低飞行器热防护系统的重量和复杂度，提升飞行性能。首先开展了静态实验，分析了超声波的反射系数。结合反射理论模型，研究超声波吸收层几何外形对其静态吸波特性的影响，掌握了超声波吸收层对超声波的作用机制。研究发现，开孔率和海拔高度的增加均降低了反射系数。通过反射波信号的小波尺度图发现，超声波吸收层明显影响了两个窄带内分布的能量。在局部尺度域上，能量从小尺度向大尺度转移。进行风洞实验，分析了超声波吸收层平板的热流分布情况。结合基于谱方法的可压缩线性稳定性理论，研究超声波吸收层几何外形对其动态吸波特性的影响，揭示了超声波吸收层对第二模态波的抑制规律。研究发现，动态与静态吸波行为相似。高开孔率带来的强粘性吸收效应和较浅的腔体引起的强抵消效应，使第二模态波增长率出现最小值。较浅的腔体引起强抵消效应是因为，更深的腔体将会减弱底部反射，最终削弱抵消效应。风洞实验结果表明，在高雷诺数情况下，超声波吸收层一侧的热流峰值推迟出现，明显延迟了边界层转捩。另外，本项目提出了通过降低开孔率和宽高比的方法来减弱共振模态，以此提升吸波特性。在理论模型中引入滑移边界条件，探索了稀薄气体效应对吸波特性的影响。结果表明，稀薄气体效应降低了反射系数的最小值，提升了吸波特性。为了研究复杂结构超声波吸收层的声学特征，建立了热粘性声学有限元模型。超声波入射到超声波吸收层上，出现反射，散射和吸收的现象。研究发现，超声波吸收层抑制第二模态波除了通过粘性耗散带来的吸收效应和扰动波叠加产生的抵消效应以外，还存在一种能量分裂机制。本项目完善了超声波吸收层延迟高超声速边界层转捩的机理，为其设计提供了全面的分析方法和科学依据。