超声速边界层中声波的局部感受性

Receptivity is the first stage of transition process, which determines the initial condition of the instability wave. In order to understand the transition, the receptivity process is an important part of transition process. When the acoustic waves in the free-stream propagate downstream, the original eigenfunction profile may deviate. The deviation may project to the instability wave in the boundary layer. Then the instability wave is excited. In actual situation, the vehicle surface is not smooth, existing roughness. For a special roughness, the effect on the acoustic local receptivity is studied.

感受性过程作为转捩过程的第一个阶段，决定了引起转捩的不稳定波的初始条件。要研究清楚转捩过程，边界层的感受性是关键的一个环节。自由流中的声波在向下游演化过程中,由于边界层的非平行性效应，会偏离原来的特征函数形状，由此产生的偏离量有可能会向边界层中不稳定波投影，这样不稳定波就有可能被激发出来。真实情况下飞行器表面是不光滑的，存在局部的凹凸。针对某种形式粗糙单元，研究粗糙元对声波局部感受性的影响。

边界层的转捩是一个复杂的过程。对于自然转捩，转捩过程会经历三个重要的阶段：感受性阶段、线性增长阶段及非线性阶段。在感受性阶段，外部环境的扰动进入边界层并激发边界层中的不稳定波。声波是一个自由流中普遍存在的扰动。本项目针对声波的局部感受性过程开展了研究。重点研究了边界层非平行效应对感受性的影响，及粗糙元的存在对声波局部感受性的影响。通过研究发现超声速边界层对慢声波和快声波反射是不同的。入射波为慢声波时，会存在“超反射”现象；对于快声波，反射系数始终小于1；慢声波在边界层里面的响应幅值要小于快声波的。声波在边界层非平行效应下的感受性效果很弱，它与声波在边界层中的响应强度密切相关，边界层对声波的响应强度又与声波的入射角有关。粗糙元的尺度接近第二模态波的尺度时，第二模态波能够被激发出来。这种感受性强度比由边界层非平行性引起的感受性效果要强。