方形低台诱导的高超声速边界层转捩机理研究

Boundary layer transition induced by roughness is an aerodynamic issue on the hypersonic vehicles, and it is also a foundational issue in fluid mechanics. The flow phenomena around the roughness with different shapes and scales have been investigated in the past decades. However, the mechanisms on boundary layer transition induced by roughness have been rarely studied. Several numerical simulations have been carried out, while experimental researches are very limited. Boundary layer transition induced by isolated roughness of short square protuberance will be studied using wind tunnel experiment mainly combined numerical simulation. Influence of different height of roughness and Reynolds numbers on boundary layer transition will be obtained. The evolution of instability waves and pressure fluctuation downstream will be obtained. The mechanism on boundary layer transition induced by roughness will be explored, it will be a fundamental foundation for developing a mechanism-based transition prediction method.

粗糙元诱导的边界层转捩是高超声速飞行器中的典型气动问题，也是流体力学的前沿基础问题。国内外研究者对不同形状、不同尺寸粗糙元诱导的转捩现象进行了大量研究，仍然缺乏对转捩机理的深入研究与认识。在数值模拟方面，已经开展了少量工作，风洞试验方面，还非常匮乏。本项目拟以大尺寸孤立式粗糙元方形低台为研究对象，以高超声速风洞试验为主，数值模拟为辅的方法开展方形低台诱导的边界层转捩基础研究，取得不同高度和不同雷诺数下方形低台对边界层转捩的影响规律认识，获得方形低台尾迹区脉动信号特征及演化规律，探索粗糙元诱导边界层转捩的物理机理，为发展基于物理的转捩预测方法提供理论基础。

高超声速飞行器表面的粗糙元，一般分为两种：1）分布式，例如类似于砂纸的粗糙元，烧蚀后的表面等等；2）孤立式，包括台阶、缝隙、加工工艺和安装缺陷导致的铆钉等，同时也包括飞行器表面与边界层厚度同量级的低矮突起物，如电缆罩、天线窗、检修盖等。项目拟针对大尺寸方形低台孤立粗糙元诱导的转捩问题，采用以地面风洞实验为主，数值模拟为辅的研究方法开展基础研究，探索其转捩机理，为发展基于物理的转捩预测方法提供理论基础。.主要研究内容包括：（1）采用数值模拟方法对有/无粗糙元条件下的高超声速（Ma=8）平板边界层流动进行模拟，获得指定工况下边界层由层流转捩至湍流的过程。（2）采用参数测量和流动显示相结合的方法，在高超声速风洞中对Mach数8条件下方形低台诱导的边界层转捩开展实验研究。.取得的重要结果如下：（1）沿着方台的两个侧边首先形成失稳带，同时与方台下游区存在的尾迹涡发生作用，尾迹涡的破碎与流向不稳定性发生作用，产生边界层转捩；（2）取得了不同单位雷诺数条件下（Re=0.5E+07/m和1.0E+07/m）方台对边界层转捩的影响规律，单位雷诺数增加，转捩位置明显提前；（3）中心线脉动压力结果显示，方台高度增加（H=1，2，3mm），分离区增大，脉动结构能量显著（属于分离区低频脉动），但并不能直接诱导转捩。.本项目工作的科学意义在于获得了高超声速条件下低矮平台尾迹流动与平板边界层相互作用的转捩研究结果，提供了基于物理转捩预测方法的基础数据。