超声速边界层精细结构的实验研究

The study of fine structures of supersonic boundary layer refers to flow stability, transition and turbulence, which belongs to the frontiers in today's aerodynamic research. Relevant study will make important contributions to theoretical studies and engineering applications. However, the characteristics of coherent stuctures in supersonic boundary layer, such as high speed, large velocity gradients and multiple scale aspects, pose many challenges for experimentalists. Based on the Nano-tracer planar laser scattering technique and the digital image processing, this study will focus on the three-dimensional character and dynamic behavior of the structures in supersonic boundary layer, using the tomography and time-resolve flow imaging techniques. The laminar-turbulent transition process of supersonic boundary layer is also investigated based on a low-noise supersonic wind tunnel. The purpose of this study is to investigate the spatial-temporal character of the fine structures of supersonic boundary layer, and to explore the relationship between the evolution of structures and the flow development. This study can also provide experimental data for dynamic modeling of supersonic boudnary layer and the identification of transition, as well as for numerical simulation studies.

超声速边界层流场的精细结构与流动稳定性、转捩、湍流等基础问题密切相关，其研究是空气动力学领域的热点和难点，具有重要的科学意义和工程应用价值。超声速边界层具有高运动速度、大速度梯度、多尺度范围等特点，流动精细结构的实验研究面临许多挑战。本项目以基于纳米示踪的平面激光散射技术和数字图像分析、处理技术为基础，通过三维流动层析测量技术和时间序列流动成像技术，对超声速边界层流动结构的空间三维特征和动力学特性开展研究。同时借助低噪声超声速风洞，开展超声速边界层转捩过程实验研究。本项目的开展旨在研究超声速边界层精细结构的时间、空间特征，探索流动发展过程与流动结构变化规律之间的联系。相关研究成果可以为超声速边界层动力学建模、边界层转捩判别以及数值模拟研究提供实验数据。

超声速边界层流场的精细结构涉及流动稳定性、转捩、湍流等基础问题，其研究不仅有助于加深对流动机理的认识，同时还能为新一代高超声速飞行器研制中面临的许多空气动力学难题的解决提供重要的实验数据的支撑。本研究首先对超声速条件下平板边界层转捩过程精细流动结构开展研究，发现了边界层转捩过程中发卡涡结构的产生、发展以及破碎进入湍流的空间特性，以及边界层结构随时间的演化规律。通过流向和展向不同平面的测量，揭示了边界层转捩过程的三维特性。对湍流边界层的脉动特性开展研究，超声速边界层内部在不同高度位置脉动频率存在较大差别。结合速度和密度同时测量发现，密度脉动与质量流量脉动在概率密度分布和频谱特性方面具有非常好的一致性，但与速度脉动相关性不大。湍流边界层内部强烈密度脉动，及其与速度脉动的明显差别，是可压缩湍流边界层与不可压湍流边界层的显著区别之一。基于上述研究，对激波/边界层相互作用、压缩拐角等飞行器表面典型流动开展研究，发现不同状态的边界层流动（层流、转捩、湍流）下，激波和压缩拐角诱导的流动分量现象存在较大差别，对飞行器的气动性能有重要的影响。以低噪声风洞为基础，开展了高超声速边界层研究，分别研究了光滑平面边界层流动结构和具有不同几何尺寸粗糙元对平板边界层转捩过程的控制探索，发现在低噪声条件下，表面粗糙度对边界层转捩的影响并不明显。基于工程研制的需求，对高超声速圆锥边界层流动开展实验研究，相对于表面粗糙度，主流的雷诺数对边界层转捩过程具有更加明显的作用。相关研究成果可以为超声速、高超声速边界层动力学建模、边界层转捩判别以及数值模拟研究提供实验数据支撑。