超声速/高超声速边界层转捩中湍流结构生成演化机理实验研究

The generation and evolution of turbulent structures during the supersonic/hypersonic boundary layer transition are the basic of compressible turbulence research. These studies are very important to establish the theory of transition prediction, as well as the design of hypersonic aircraft. The aim of this project is to investigate the turbulent structures during the supersonic/hypersonic boundary layer transition using experimental methods, based on the Nano-tracer planar laser scattering and the hypersonic quiet wind tunnel. This project will include the study of the effect of turbulence level of incoming flow on the generation of the turbulent structures during the transition. The spatial development and time evolution of the turbulent structures during the transition will be investigated using the three-dimensional imaging system, as well as the ultrahigh frequency imaging system. The relationship between the turbulent structures and the wall temperature and pressure will be also studied, based on the simultaneous measurement techniques. The flow control of boundary layer transition will also be studied from the view of the turbulent structures. This project is hoped not only to support the research of the characteristic of turbulent structure evolution and the relationship between the temperature, pressure and the turbulent structures, but also to improve the experimental techniques of turbulent structures measurement with high spatial-temporal resolution.

超声速/高超声速边界层转捩过程中湍流结构的生成及时空演化特性，是研究可压缩湍流机理、建立湍流转捩模型的重要基础，同时也与高速飞行器的设计密不可分。本项目研究以高超声速静风洞和低噪声风洞为平台，利用自主研发的基于纳米示踪平面散射激光技术和超高频激光层析成像测试系统，对超声速/高超声速边界层转捩开展实验研究。通过改变风洞湍流度研究来流湍流度对转捩的结构的影响；借助三维成像技术和超高频成像系统，对边界层转捩过程中湍流生成、演化的时空特性开展研究；采用多种测试技术同时测量的手段研究转捩结构与边界层壁面气动热、压力等参数的相关作用规律；并从湍流结构变化规律角度入手，研究边界层流动控制方法的效果。相关研究成果，不仅可以为湍流结构演化特性，及其对气动热、气动力作用机制提供依据，同时还为发展高时空分辨率的湍流实验测量技术奠定基础。

超声速/高超声速边界层转捩过程中湍流结构的生成及时空演化特性，是研究可压缩湍流机理、建立湍流转捩模型的重要基础，同时也与高速飞行器的设计密不可分。本项研究首先以高超声速静风洞和低噪声风洞为平台，研究了不同运行状态下风洞流场来流的湍流度与压力脉动功率谱特性之间的联系。在测量风洞流场湍流度的基础上，比较了不同湍流度下边界层转捩的精细结构，发现对于平板边界层湍流度对转捩的影响大于雷诺数的影响，而对于圆锥边界层，雷诺数对转捩的影响要大于湍流度的影响。结合壁面高频脉动压力测量和流动显示技术，对比分析了边界层转捩过程中壁面压力脉动和瞬态流动结构之间的关系，发现在不同来流条件下，壁面压力信号中二次模态波出现的位置始终位于瞬态流动结构中二次模态波结构位置的上游，且具有关联性。开展了直圆锥边界层和裙锥边界层湍流结构研究，发现裙锥边界层相比直锥边界层更有利于绳状二次模态波结构的产生，基于图像对二次模态波结构的定量分析结果与基于脉动压力信号分析的结果基本一致。为研究超声速/高超声速流动中湍流结构的时间演化特性，开展了超高频多帧流场显示技术研究，形成实验研究能力。并将其应用于激波湍流边界层干扰中湍流结构演化规律的研究，发现分离区及诱导激波的瞬态结构和位置与瞬态来流湍流边界层中拟序结构有直接关系，基于多帧时间相关的流动图像分析激波边界层干扰中大尺度结构低频运动特性，与脉动压力测量结果定性吻合。同时对超声速平板边界层和高超声速圆锥边界层转捩结构开展初步试验研究，发现多个小尺度结构之间的相互作用会加速流动结构的破碎，促进转捩发生。开展激光聚焦扰动对直圆锥边界层流动控制研究，发现相比于在边界层内施加的扰动，位于边界层前方自由来流中的扰动对边界层转捩过程影响更大。研究了不同台阶对圆锥边界层转捩过程的影响，发现在相同来流条件下，后台阶使边界层转捩提前，而前台阶对尖锥边界层转捩具有抑制作用。