高超声速边界层中粗糙元强制转捩的机理

Roughness-induced transition in hypersonic boundary layer is a problem of fluid mechanics highly concerned by people in aero-space industry, especially by those who are working on hypersonic scramjet engine. In this program, based on the experimental data, the whole process of disturbances growing in the wake flow of the roughness elements and further triggering transition is studied by numerical simulation, and from the previous study on bypass transition, by using stability theory, the key mechanism of the breakdown process on roughness-induced transition is analyzed. The results would have not only scientific value, but can also by directly applied to the research and development of hypersonic scramjet engine.

由大粗糙元引起的高超声速边界层强制转捩问题，是当前航天领域，特别是高超声速吸气式发动机研制者高度关注的流体力学问题。本项目以实验数据为参照，对扰动在粗糙元尾迹流场中增长并触发转捩的整个过程进行数值模拟，并借助前期对bypass转捩的研究成果，从稳定性观点出发，分析粗糙元强制转捩的breakdown过程的关键机理。成果除了有科学价值外，对高超声速吸气式发动机进气道的粗糙带设计也有直接的帮助。

超声速、高超声速边界层从层流到湍流的转捩一直是高速飞行器设计中的重要问题。本项目以高超声速大粗糙元强制转捩问题为研究对象，用直接数值模拟的方法研究了粗糙元尾迹中的二次失稳模态从增长到非线性转捩的过程，并重点分析了转捩breakdown过程的关键机理——平均流剖面稳定性的迅速变化与高频扰动的快速增长构成了一个正反馈系统。该工作是对低速流中旁路转捩问题的推广。该结果为高超声速吸气式飞行器前体进气道的设计提供理论基础，对抑制进气道前的流动分离与增强燃烧室内燃气混合有重要作用。..另外，本项目也研究了另外两个与该问题相关的基础问题。（1）二次失稳模态的感受性。该研究表明二次失稳模态是由自由流中涡扰动与非平行的条带边界层的非线性作用激发的，并给出了感受性系数的定量计算方法。该工作完善了旁路转捩理论中的最后一个环节，为工程上转捩预测问题奠定了理论基础。（2）小粗糙元对自然转捩的影响。提出了局部散射理论，用来描述小尺寸粗糙元等局部突变对自然转捩的影响。该研究完善了工程上对自然转捩的预测方法。