静来流条件下高超声速边界层流向曲率效应研究

The study on curved hypersonic boundary layer in quiet free stream is of important from military and economic standpoint. With curvature effects, the receptivity, transition, turbulence and anti-separation characteristics of the flow field reveal more complex physical mechanisms. Here, we wish to study the curvature effects on transition routes and instable vortices using hypersonic quiet wind tunnel, direct numerical simulation, and inverse methods of aerodynamic design. The high resolution vortical structures, density field and velocity field can be captured with high spatiotemporal flow imaging apparatus.The direct numerical simulation with the inflow conditions measured in quiet tunnel can be conducted, which will produce more information than experiments. With these information, the transition routes and vortical structure can be analyzed in detail. Based on the experimental and numerical data, the time-average and statistical modelling can be conducted to build the curvature correction models, which will be an important mathematical tool for designing hypersonic vehicles. With these studies, the dynamic mechanisms of hypersonic boundary layer effected by the curvature can be partly revealed, which will also accelerate the coupling of wind tunnel experiments, numerical simulation, and aerodynamic design,and promote the development of relative subjects.

静来流条件下高超声速曲壁边界层研究具有重要的军事和经济价值，在曲率的影响下，流场的感受性、转捩、湍流与抗分离特性，呈现出更为复杂的物理机制。本项目拟采用高超声速静风洞、直接数值模拟和气动反设计相结合的手段，对高超声速边界层转捩途径与不稳定涡结构的曲率效应进行研究。通过流场精细结构测量方法,获得高分辨率的涡结构、密度场与速度场分布。以测量的精细结构参数作为边界条件的约束，开展静风洞真实来流条件下的直接数值模拟研究，得到更细致、全面的流场数据，并进行转捩途径与涡结构运动分析。在实验与数值模拟数据的基础上，进行时均与统计参数建模，提出曲率修正模型，为高超声速飞行器设计提供重要的数学工具。项目研究将有助于揭示曲率影响下的高超声速边界层流场的运动规律，并促进风洞实验、数值模拟与气动设计的高度融合，带动相关研究方向的发展。

长期以来，针对边界层的研究主要集中于平板边界层，但在实际中，流向曲率对边界层的影响在飞行器内外所有与流动接触的表面广泛存在，不可回避。在曲率的影响下，流场的感受性、转捩、湍流等特性，呈现出更为复杂的物理机制。. 在此背景下，本项目以超声速曲壁边界层为研究对象，综合采用纳米粒子平面激光散射（NPLS）、粒子图像测速（PIV）和直接数值模拟（DNS），系统研究了流向凹曲率、逆压梯度和流向凸曲率对边界层的影响。本项目首次在超声速条件下通过实验直接观测到了曲壁层流边界层在转捩过程中形成的Görtler涡及其二次曲张不稳定性。流向凹曲率会显著促进超声速湍流边界层中发卡涡的生成，并多集中分布于VLSMs区域。流向曲率效应对过渡层、对数率层和尾迹区的影响明显：过渡层面积增加；对数率层斜率减小，影响范围整体外移；尾迹区强度增强。湍流结构的变化是导致边界层时均和统计参数沿流向变化的主因，受流向曲率影响，边界层中下洗事件明显增强，携带大量高动量流体直达内层，提高线性底层的速度梯度，并增强了过渡层和对数率层内的动量掺混，减小对数率层斜率。引起对数率层湍流脉动大幅提高与引起对数率层时均速度随法向高度斜率减小的物理机制是一致的。. 为厘清流向曲率和流向逆压梯度各自对超声速湍流边界层的影响，设计了一个逆压梯度平板边界层实验。结果表明逆压梯度会增强边界层的主应变率、湍流度和雷诺应力，离心不稳定性对边界层的湍流特性影响显著。通过给出压缩波与发卡涡包相互作用的物理模型，揭示了压缩波影响湍流边界层中大尺度结构的物理途径。. 为研究流向凸曲率和流向顺压梯度的影响，设计了一个流向压力梯度为零的超声速凸曲壁边界层。结果显示流向顺压梯度和流向曲率对边界层的时均速度分布具有相似的重塑效果。流向顺压梯度和曲率对流向湍流脉动均有抑制作用，但它们对法向湍流脉动的作用效果相反。后向涡的数量和强度对是影响零压力梯度和顺压梯度凸曲壁边界层湍流特性的关键。