超声速可压缩湍流边界层的湍流几何结构与摩擦阻力分解特征研究

Investigation of supersonic compressible turbulent boundary-layer is of great importance for the development of supersonic and hypersonic transport vehicles. The turbulence geometric structure and skin-friction decomposition in supersonic compressible turbulent boundary-layer has been successively studied for many years with respect to academic interest. In this proposal, we will clarify the statistical law and characteristics of the geometrical structure in the supersonic compressible turbulent boundary-layer by means of dissipation element and vector segment method. The second objective of this proposal is to develop a new skin-friction decomposition method and to analyze the compressibility and wall-temperature effects on the features of the drag decomposition. Finally, the relation between the skin-friction and the multi-scale geometric structure in the supersonic turbulent boundary-layer will be investigated. This proposal aims to, from a new point view, investigate the dynamic characteristics of the high-speed wall-bounded turbulence, to improve the understanding of aerodynamic characteristics for high-speed wall-bounded turbulence, and to establish the relationship between turbulent dynamical characteristics and aerodynamic characteristics. Results will provide theoretical guidance for the development of turbulent model and the design of drag reduction and thermal protection methods for high-speed wall-bounded turbulence.

超声速可压缩湍流边界层广泛存在于超声速和高超声速飞行器的内流与外流中，其标量场和矢量场的几何结构、摩擦阻力的产生与分解是学术界关心的热点问题。本项目拟利用梯度线元和矢量单元方法，阐述超声速可压缩湍流边界层湍流几何结构的统计规律与特征，解释（甚至预测）几何结构的物理特性，完善超声速可压缩湍流边界层的摩擦阻力分解方法，明确可压缩性和壁面温度对摩擦阻力分解特征的影响，建立多尺度湍流几何结构与摩阻阻力之间的关联。研究成果将从新角度了解高速壁湍流的动力学特性，提高对高速壁湍流气动力特性的认识，同时建立湍流动力学特性与气动力特性之间的联系，为湍流模式理论发展、高速壁湍流的减阻与热防护设计提供理论指导。

超声速可压缩湍流边界层广泛存在于超声速和高超声速飞行器的内流与外流中，湍流结构与摩擦阻力产生机制是学术界关心的热点问题，亦是工程中湍流模式理论开发、阻力预测和热防护设计等面临的核心问题。.在项目执行期间，以第一或通讯作者发表学术论文19篇，其中SCI论文13篇，包括5篇JFM、1篇PoF、1篇PRF文章。培养了博士研究生2名，硕士研究生4名。.主要的研究内容和成果概述如下：.（1）利用矢量线元方法刻画了壁湍流速度矢量场和涡量矢量场的几何结构形态，描述了多尺度矢量线元的特征长度和极值差在粘性底层、缓冲层、对数层和尾迹区中的统计规律与特征，结合经典的湍流理论，阐明了湍流矢量几何结构物理特性。.（2）提出并发展了一种可压缩湍流摩擦阻力分解方法，在绝对坐标系下基于时均动能方程，建立了摩阻系数与边界层内统计变量之间的恒等式关系。利用该方法，研究了可压缩湍流边界层的摩阻生成机制，阐明了雷诺数、马赫数对摩阻分解项的影响规律。.（3）利用二维经验模态分解，辨识出的多尺度结构自相似于其的展向特征尺度，且多项统计特征与“附着涡”理论模型预测一致，验证了“附着涡”结构的存在，量化了大尺度含能结构对摩阻生成的贡献作用。在低雷诺数壁湍流中发现了多尺度“附着涡”结构,指出高低速混杂是传统方法不能从低雷诺数壁湍流中辨识出“附着涡”结构的主要原因。.（4）利用发展的摩阻分解方法，研究了雷诺数、逆压梯度对摩阻分解项的影响规律，发现摩阻分解项峰值位置具有内外区自相似规律。将该摩阻分解方法推广至高维流动，发现方形管道二次横流对摩阻生成的积分贡献值为零。.（5）在摩阻产生机制认识的基础上，揭示了“仿鲨鱼皮”小肋的减阻机理，阐明了壁面吹吸气条件下翼型摩阻的分解特征与减阻机理。.（6）利用聚类联通方法，对壁面脉动摩擦阻力进行多尺度分解，明确了快慢结构的多尺度特征和自相似规律，发现脉快慢摩擦事件存在显著的非对称性，只有慢摩擦事件与经典的附着涡理论符合。