表面粗糙元形状对高超声速边界层稳定性和转捩的影响

The roughness-induced hypersonic boundary-layer transition is one of the most focused problems in the laminar-turbulent transition, and has also attracted the attention of the vehicle designers. This project will research the effect of the surface roughness shape on hypersonic boundary layer instability and transition based on the hydrodynamic stability theory. The instability-analysis and numerical simulation methodology will be benchmarked by the Kegerise’s experiment in the M=3.5 low-disturbance Tunnel for an isolate diamond trip on a flat plate at first. The criterion will also be calibrated by the experiment and the numerical simulation. And then, diamond-shaped and ramp-shaped roughness-induced hypersonic boundary layer instabilities and transitions will be studies at the flight conditions. The instability characteristics and the transition locations will be obtained. The relationship between the instabilities of the unstable modes and the wake flow will be summed up. It will reveal the mechanism of the roughness geometry shape affecting the hypersonic boundary layer transition based on the hydrodynamic instability theory. The results of this project are expected to lay the theoritical foundation for optimizing the forced-transition equipments in the future.

粗糙元诱导高超声速边界层转捩问题是当前层流-湍流转捩研究中的热点之一，同时也特别受到航天工程界的重视，具有十分突出的研究地位。本项目将从稳定性理论出发，研究高超声速粗糙元几何形状对下游尾迹流的稳定性和转捩影响。研究首先以Kegerise的M=3.5静风洞实验为基础，利用稳定性分析和数值模拟的方法研究超声速边界层中孤立钻石形粗糙元下游尾迹流的稳定性和转捩，并将理论分析和数值模拟的结果与实验对比，验证和评估稳定性分析和转捩预测算法，并对转捩预测的判据进行标定。然后研究高超声速飞行工况时钻石形和斜坡形粗糙元尾迹流的稳定性特征并预测转捩位置，得到不同工况下两种几何形状粗糙元尾迹流稳定性特征和转捩位置的分布规律，从中总结出失稳模态的稳定性特征与尾迹流流动剖面之间的联系，从而揭示粗糙元几何形状影响转捩效果背后的稳定性机理。研究成果有望为进一步优化超燃发动机进气道强制转捩装置的设计工作奠定理论基础。

高超声速边界层转捩问题是当前层流-湍流转捩研究中的热点之一，同时也特别受到航天工程界的重视，具有十分突出的研究地位。项目对粗糙元尾迹流动的全局稳定性和转捩问题开展了研究工作。我们详细验证了3DLPSE方法并发展了NPSE方法，从而为高超声速三维边界层的稳定性研究奠定了工具基础。对粗糙元尾迹流动的全局稳定性分析给出的失稳扰动频率与LES基本一致，表明了粗糙元尾迹转捩过程应与全局稳定性失稳有关。其失稳模态的特征函数分布与基本流动的剪切特征有直接的关联。在某一当地位置存在着多个失稳模态。然而这些失稳模态中的部分具有相似的失稳特征，这一点不在我们意料之中。同时，我们还利用全局稳定性和NPSE的分析方法研究了高超声速边界层由Mack模态导致的二次失稳问题，并且研究发现二次失稳此时与Mack模态扰动的幅值有关，当幅值较小时，亚谐失稳占主导地位，当幅值较大时，基频失稳将主导转捩流动主要表现为流向条纹结构。这一结果对理解高超声速边界层转捩和Breakdown过程有重要意义。此外，我们还研究了壁面温度对Mack模态的影响，给出了壁面温度与超声速模态之间的关系，这对于理解高超声速壁面温度参数对转捩的影响有意义。