考虑熵层高超声速边界层流动稳定性和转捩机理研究

Many studies and progress have been made on hypersonic boundary layer flow stability and transition mechanism without entropy layer. But few investigations about it are done considering entropy layer. Interaction between entropy layer and boundary layer makes problem be much more complex. In this project, boundary layer flow stability analyses and transition mechanism hypersonic boundary layer flow over a blunted plate are investigated by using directed numerical simulation combine with stability theory while the entropy layer taken into consideration. When doing stability analysis, basic of boundary layer flow profiles are needed got at first. According to DNS results, the new method will be put forward to determine the gas parameters at the outer edge of the boundary layer considering entropy layer in the project. And suitable stability analysis method is also developed. So that how two main factors affect the boundary layer stability will be studied. By direct numerical simulating evolution of disturbance in the mean flow, boundary layer transition mechanism will be studied when the entropy layer to be taken into consideration. The achievement of the project will provide us some basis for the design of high speed vehicle.

过去有关熵层不存在情况下的高超声速流动稳定性分析和转捩问题研究已开展了很多，并取得了一些研究成果。但考虑熵层存在时相关的研究则很少。熵层与边界层相互作用，使问题变得更加复杂。本课题将采用直接数值模拟方法结合流动稳定性分析方法对具有典型意义的绕过钝头平板高超声速流动，头部形成脱体激波后存在的熵层，研究边界层流动稳定性及转捩机理。在进行稳定性分析时，需要得到不同来流条件下边界层基本流剖面。本项目将以DNS的计算结果为参考依据，确定熵层存在时边界层外缘气动参数的计算方法，发展适合的边界层流动稳定性分析方法，研究熵层厚度和熵梯度这两个因素对边界层流动稳定性的影响情况。通过开展扰动演化直接数值模拟计算，研究考虑熵层存在的边界层转捩机理。所获结果将为实际钝头体飞行器设计提供一定的依据。

绕过钝平板和钝锥高超声速流动，头部形成脱体激波后会存在熵层，其本身的特性及对流动稳定性和转捩机理和转捩位置的影响是值得研究的。.本项目采用直接数值模拟方法结合流动稳定性分析方法对研究了边界层流动稳定性及转捩机理。主要研究内容有，以DNS的计算结果为参考依据，针对以下几方面开展研究：1）超声速绕钝头体的熵层特性；2）钝锥高超声速流动熵吞点位置确定方法；3）钝度对高超声速钝锥边界层稳定性的影响；4）超声速钝锥熵层在慢声波感受性中的作用。.获得的主要成果有，（1）马赫数越大，熵层区的涡量越大，熵层影响的范围越大；雷诺数对无粘流的特征影响很小，熵层大小随球头半径几乎呈线性关系。（2）提出了根据熵吞点附近边界层外缘参数变化特性以确定熵吞点位置的方法。该方法不依赖于DNS的结果，经算例计算得到的熵吞点位置与DNS结果误差在10%以内。（3）研究发现，随钝度增大，边界层内的不稳定区向下游移动，第二模态的最大增长率减小。还发现了非线性扰动演化以及平均流修正对稳定性的影响情况。在基本流中引入有限幅值扰动后，下游的平均流剖面会发生明显改变。流场稳定性发生显著变化，线性阶段最不稳定的第二模态波变得稳定，而第一模态波明显增长起来。第一模态波的快速增长使N值可以达到4，这将会对转捩有很大的促进作用。（4）发现慢声波与弓形激波的作用后的扰动波是快声波、慢声波和熵/涡波的组合形式，慢声波并不能直接同步为边界层慢模态，而是激波后的熵/涡波在熵层区域同步形成熵层模态，并在下游强迫激发边界层TS波。熵层模态促进边界层扰动增长，且熵层扰动和边界层扰动分别按照熵层模态和慢模态的线性规律演化。.所获结果将为实际钝头体飞行器设计提供一定的依据。