输入扰动与边界层T-S波的非线性作用机制及其对转捩的影响研究

Traditional laminar flow control (LFC) techniques are employed to suppress the evolution of disturbances leading to transition via stream-wise pressure gradient design, wall blowing and suction etc. Natural laminar flow (NLF) technique and hybrid laminar flow control are typical LFC technologies. An alternative idea is to artificially introduce the disturbances interacting with the inherent disturbances in the boundary layer to delay transition. For two-dimensional boundary layer, the research works carried out based on the latter idea is only limited to analysis and experiments of suppressing transition by introducing the disturbances creating anti-phase waves of the original T-S waves to reduce the amplitudes via linear superposition of disturbances. Inspired by the effects of input disturbances on the stationary cross-flow waves for infinite swept wing, this project will propose a hypothesis of suppressing the evolution of disturbances and controlling transition by artificially introduce disturbances with the characteristic of large initial amplitudes and decaying quickly in the leading edge and nonlinearly interact with the original TS waves. Based on this hypothesis, we intend to achieve following objects: firstly, design of experimentation and research approaches will be carried out to analyze the principals and methods of generating such disturbances in the boundary layer and their evolution; secondly, the interaction between the artificially introduced disturbances and the original T-S waves will be investigated and the mechanism of suppressing the original T-S waves via the interaction will be analyzed; finally, the hypothesis will be verified experimentally and whether this new method for transition control has a good prospect of engineering application or not will be discussed.

传统层流技术主要通过流向压力梯度设计、吹吸气等方式影响边界层流动来抑制导致转捩的扰动发展，例如层流翼型技术和混合层流控制等。另一种思路是引入扰动，使其与边界层原始固有扰动相互作用形成抑制效应。对二维边界层，按后者思路已开展的研究工作目前还仅限于通过引入与原始T-S波反相的波动，产生扰动的线性叠加抵消效应达到影响转捩效果的相关分析与实验。本项目受输入扰动对后掠翼横流驻波影响现象的启发，提出通过在前缘引入初始幅值大又能迅速衰减的扰动，形成与原始T-S波的非线性作用，产生扰动抑制效应并控制转捩的设想。围绕该设想开展试验方法和研究方案的设计，分析在边界层中形成这类特殊扰动的原理与方法，以及这类扰动在边界层中演化的规律；研究人工引入扰动与边界层中原始T-S波的相互作用机制，分析其对原始T-S波产生抑制效应的机理；最终通过实验验证设想，探索将其发展为具有工程应用前景的转捩控制技术的可行性。

感受性过程为转捩过程的第一阶段，也是决定自然转捩发展的关键阶段。本项目旨在通过改变感受性过程达到转捩控制的目的。感受性的激发需要同时满足两个条件，即外部扰动的输入和内部流动非平行性的存在。本项目重点探究平板边界层对不同外部扰动的响应机理以及感受性过程中T-S波的特性，用改变外部扰动的方式实现感受性过程的改变，进而影响转捩的结果。..本项目的主要研究内容可分为四部分，分别是涡扰动输入对平板边界层发展过程影响的试验探究、声扰动和粗糙带共同作用下激发平板边界层T-S波的试验研究、大涡模拟方法应用于感受性问题的可行性探究以及平板边界层涡扰动模型化输入的直接数值模拟研究。..在试验工作中，本项目尝试了声扰动和涡扰动两种形式的扰动，两者激发感受性的原理不同。试验中涡扰动的具体输入形式共有三种，分别为刚性圆柱尾涡扰动、光滑鱼线尾涡扰动以及呈股绳状尾涡扰动。其中，光滑鱼线尾涡扰动对感受性过程的控制效果最佳，且结果更具有规律性。此外，通过改变圆柱体/类圆柱体的直径大小，探究了不同尺度涡扰动对平板边界层的影响，发现在一定尺度范围内的涡扰动才能激发出感受性，尺度过小难以测量和辨识，尺度过大则直接引发旁路转捩。声扰动的具体输入形式共有两种，分别为脉冲声扰动和连续声扰动。通过傅里叶变换、小波变换以及声脉冲技术等方法的结合，观察并提取出产生的T-S波并对其进行分析，发现在一定强度扰动输入下其增长率仍符合线性稳定性理论的结果。..数值工作主要测试了LES和DNS两种方法应用于感受性研究的可靠性，并利用后者研究了不同钝度的前缘对平板边界层流动的影响。结果证明，前缘钝度越大，感受性过程越强。此外，还探究了涡扰动的模型化输入和平板边界层对涡扰动的响应机理。结果发现，涡扰动在边界层内的流向和法向传播速度随着法向高度的变化具有明显的规律性，该规律性在边界层内和势流区的体现不同。