湍流边界层相互作用实验研究

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1、物理学报ActaPhys．Sin．Vo1．63，No．8(2014)084703激波与层流／湍流边界层相互作用实验研究冰全鹏程易仕和十武宇朱杨柱陈植(国防科技大学航天科学与工程学院，长沙410073)(2013年l1月26日收到；2014年1月24日收到修改稿)在超声速风洞中，分别对层流和湍流来流条件下的边界层和斜激波(激波强度足以引起流动分离)相互干扰进行了实验研究．利用纳米粒子示踪平面激光散射fNPLS)技术获得了两种条件下流场的精细结构图像；利用粒子图像测速fPIV)技术获得了两种条件下流场的速度场和涡量场；综合运用NPLS结果和P

2、IV结果对比分析了两种流动的瞬时流动结构和时间相关性．实验结果表明：层流边界层内的分离区呈现出狭长的条状，而湍流边界层内分离区呈现出较规则的椭圆：在入射激波上游距入射点较远的位置，层流边界层外围拟序结构会诱导出一系列压缩波系，进而汇聚成空间位置不稳定的诱导激波，而湍流边界层则是在入射激波上游较近的地方直接形成较强且稳定的诱导激波；在入射激波下游，层流边界层内的膨胀区域较小且急促，膨胀后产生的再附激波很弱，而湍流边界层内的膨胀区域较大，膨胀后产生的激波较强．关键词：激波边界层，层流，湍流，流动分离PACS：47．40．Ki，47．54．De

3、，47．80．Cb，47．80．JkDOI：10．7498／aps．63．084703的流场的连续图像，揭示了湍流边界层厚度和激1引言波波足的低频运动存在着一定联系[4】

4、Do等[】利用PLRS(planarlaserRayleighscattering)较为自1939年Ferri在一个翼型的高速风洞实清楚地观察到SWBLI现象中斜激波、边界层和滑验中首先观察到激波边界层相互干扰fshock移线等流场结构．纵观70多年的研究历史，关于wave／boundarylayerinteraction，SWBLI)后，关SWBLI的流动显示研究在时

5、间和空间分辨率方面于SWBLI的研究已超过70年．主要研究分为四个虽然一直有着提升，但是为了更加深入研究激波方面：激波运动非定常性、热流预测、多重激波干扰低频运动的非定常性，时空分辨率还有待进一步以及流动控制[，．为了解释SWBLI现象的流动提高．机理，众多研究者采取了各种方法对该现象进行NPLS(nanoparticle—tracerbasedplanarlaser研究，流动显示作为一种直观有效的实验手段，在scattering)技术是作者所在课题组自主开发的超SWBLI现象尤其是关于非定常性研究方面获得了声速／高超声速流场精细结构流动

6、显示技术[6-9]，广泛使用．Smith等【3J通过瑞利散射技术对16。压其空间分辨率可达微米量级，时间分辨率可达6as，缩拐角产生的SWBLI结构进行了研究，实验结果时间相关分辨率可达200ns．该技术在超声速混发现湍流边界层内大尺度拟序结构对激波位置和合层流动、超声速边界层转捩、后台阶绕流、压缩拐形状必然有着某种影响，但是由于图像分辨率较角等试验研究得到了成功应用[1o-14]．本文利用低并未给出具体的关系．Bueno利用PLSfplanarNPLS技术和粒子图像测速fPIV)技术对两种条件laserscattering)技术对马赫2

7、湍流SWBLI结构的下SWBLI现象进行了实验研究，并对实验结果进时间相关性进行了研究，获得了相关时间为100行了分析．}国家自然科学基金(批准号：11172326，11302256)资助的课题．t通讯作者．E．mail：yishihe@nudt．edu．cn@2014中国物理学会ChinesePhysicalSocietyt：／／wulixb．纫hy．ac．an084703．1物理学报ActaPhys．Sin．Vo1．63，No．8(2014)0847034结论GaitondeDV2013AjAA尸aper2013-2607SmithD

8、R，PoggieJ，KonradW，SmitsAJ1991AIAA本文利用NPLS技术和PIV技术对层流和湍Paper1991—0651BuenoPC，GanapathisubramaniB，ClemensNT，流SWBLI现象进行了对比研究：通过NPLS技术DollingDS2005AIAAPaper2005441得到了高空间分辨率的流场瞬时图像和高时间分DoH，ImS，MungalMG，CappelliMA2011Exp．Flu—辨率的时间相关图像，清晰地展现了流场中激波、ids501651边界层、膨胀波、流向涡等结构及其时间发展特性

9、；YiSH，HeL，TianLF，ZhaoYX2010Proceedingsof通过PIV计算结果得到流场平均涡量场，阐释了the14thChineseNationalSymposiumonS