高超声速广义雷诺比拟关系研究

The classical Reynolds analogy has long been widely used to calculate the relation between skin friction and heat transfer, but it cannot apply to curved surfaces under streamwise pressure gradient since the theory was derived from the flat plate boundary layer flow. Meanwhile, the engineering applications of the analogy theory increases with recent developing of the near-space vehicle, which requests precise predictions on skin friction and wall heat flux. In previous investigations, the applicant studied hypersonic blunt body flows with the theoretical modeling method, from which a linear analogy relation expressed with explicit equations was firstly found between skin friction and wall heat flux in self-similar boundary layers. In current project, we plan to study influences of shapes, high temperature chemical reactions and turbulence on the Reynolds analogy relation with the inherited theoretical modeling method. The aim of the project is to establish a verified general Reynolds analogy relation theory, based on which engineering predictions would also be obtained.

雷诺比拟是描述壁面剪切和传热关系的重要理论，但是仅适用于平板边界层或等效的如圆锥等外形，无法应用于存在流向压力梯度的弯曲壁面，在理论完整性上存在缺失。同时,在新型临近空间飞行器的研制背景下，高超声速飞行器壁面摩阻和热流分布的准确预测显得尤为重要，突显出雷诺比拟关系的工程应用价值。理论的缺失和工程应用的需求使得弯曲壁面上剪切和传热之间的比拟关系成为高超声速流动领域亟待解决的基础问题。申请人前期采用理论模化分析的方法研究了钝头体绕流问题，发现在自相似边界层中，壁面剪切和传热之间存在线性比拟关系，并据此成功预测了部分外形下的比拟关系表达式。本项目计划继续采用工程科学思想，以理论模化的方法，通过进一步研究外形、高温化学反应以及湍流等效应来系统研究弯曲壁面上剪切和传热的联系，建立完整的广义雷诺比拟关系理论，并给出工程上可用的快速预测方法。

本项目是从高超声速飞行器工程设计出发提出的，关于飞行器受力、热的空气动力学工程理论研究。经典的雷诺比拟关系描述了壁面热流和摩擦之间的定量关系，在高超声速空气动力学科学研究以及高速飞行器的气动力及热环境预示中具有广泛的应用。本项目提出的广义雷诺比拟关系，将雷诺比拟理论从传统的零压力梯度边界层如平板、尖锥推广到了如圆柱、幂次体等弯曲壁面外形。通过大量理论分析与数值计算，针对工程问题常见情形下的广义雷诺比拟关系开展了研究。主要研究内容包括：一、非平衡化学反应下的雷诺比拟关系；二、非自相似钝头外形下的雷诺比拟关系；三、湍流边界层中的雷诺比拟关系。.在非平衡化学反应相关的研究工作中，基于构造的工程理论模型，分析了高超声速导致的气体离解-复合化学反应的程度对壁面摩阻和热流分布以及二者比拟关系的影响。研究还发现了离解反应过程和复合反应过程对广义雷诺比拟关系的不同的影响。.在非自相似钝头体相关问题中，定量研究比较了雷诺数和钝头体外形对广义雷诺比拟关系的影响。研究发现，不同的钝头体外形下，理论预示的线性广义雷诺比拟关系不同程度地受到雷诺数的影响。.在湍流相关的问题中，采用直接数值模拟方法对钝头体壁面的湍流边界层流动开展了初步探索。研究发现可以通过在壁面增加人工扰动的方式实现在高超声速钝头体壁面附近转捩生成湍流边界层，但是通过转捩生成的湍流边界层，在膨胀流动下有再层流化的趋势，导致其难以稳定存在。