高超声速边界层的转捩及预测.pdf

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaJan．252015V01．36No．1357．372ISSN1000．6893CN11—1929／Vhttp：／／hkxbbuaa．educnhkxb@buaaedu．crl高超声速边界层的转捩及预测罗纪生*天津大学机械工程学院，天津300072摘要：首先描述了边界层转捩的基本过程及研究内容。在此基础上，指出了高超声速边界层不同于不可压缩边界层的流动不稳定性特性，并介绍了边界层的转捩机理与感受性特征；给出了高超声速三维边界层中

2、预测转捩的常用方法，并着重介绍了多用于工程实际的e“方法以及对e“方法的理性改进，同时列举了在高超声速三维边界层中应用e“方法实现转捩预测的多个实例。最后，分析并总结了高超声速边界层转捩预测所存在的困难及需要解决的问题。关键词：高超声速边界层；流动稳定性理论；转捩机理与预测；感受性；e“方法中图分类号：V411．1；0357．4文献标识码：A文章编号：1000—6893(2015)01—0357—16边界层从层流向湍流的过渡称为边界层的转捩，转捩问题实际是湍流的起源问题，是流体力学长期关注但尚未解决的重要

3、研究领域之一。边界层转捩是流动从有序到无序的转变过程，其中存在许多非线性的演化过程。因此，作为基础理论研究问题，转捩机理引起了流体力学研究者的广泛兴趣。在高超声速飞行条件下，湍流的摩擦系数和传热系数要远大于层流的相关系数，边界层的转捩位置直接关系到飞行器的摩擦阻力、热交换及流动分离位置等。若能准确预测出转捩位置并延迟转捩发生，则可以有效地改进飞行器性能，提高其升阻比，降低燃料消耗，并有利于进行热防护设计。因此，对于大气层中长距离飞行的高超声速飞行器的研制来说，边界层转捩预测方法是至关重要的，也得到了航空航

4、天部门的高度重视。1边界层转捩的基本过程及研究内容边界层转捩的研究是与流动稳定性的研究联系在一起的。从层流到湍流的转捩问题，以及层流失稳可能导致转捩发生的猜想，都是在发现流动存在层流和湍流2种流态后提出的。20世纪初，Orr(1907)和Sommerfeld(1908)建立了著名的描述平行流小扰动的稳定性方程，即Orr-Som-merfeld(O-S)方程；之后，经过二十多年的努力，理论研究证明了当雷诺数大于某一个临界值时，边界层流动会出现不稳定波，亦称不稳定模态；后又经过二十多年，才在实验中观察到与之对

5、应的现象，从而证实了流动稳定性的线性理论。在解释转捩问题时，还需要应用非线性理论。20世纪40年代，著名物理学家Landau提出了流动失稳的非线性机制；60年代，Stuart将Landau的设想具体化，建立了弱非线性理论；70年代后，Craik和Herbert分别提出了三波共振和二次失稳机理；自此之后，关于准平行流高雷诺数的渐近理论也得到了很大发展。这些工作对解释边界层转捩的非线性现象起到了重要作用。最初认为，解释了扰动演化就能够解决转捩收稿日期：2014-08-04；退修日期：2014-09-16；录用

6、日期：2014—10一08；网络出版肘间：2014．10-0908：35网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／detail／10．7527／S1000—6893．20140244．htmI基金项目：国家自然科学基金(11332007)*通讯作者Tel．：022·27407025E-mail：jsluo@tjuedu．cn戮用格武tLuoJs．TransitionandpredictionforhypersonicboundarylayersiJjActaAeronauticaetAstrona

7、uticaSinica．2015。36(1)1357-372．罗纪生．高超声速边界层的转捩及预霸【Jj，兢空学报．2015，36(1)：357-372．358航空学报预测的大部分问题，但实际遇到的困难比预想的要大得多。转捩位置不仅与流动中的扰动演化有关，还严重依赖于初始扰动，即不同的初始扰动会导致不同的结果；除此之外，还与边界层的粗糙度等外界环境有关。这就形成了新的研究领域，即感受性问题。对感受性问题进行研究，是希望得到边界层外部扰动激发或转化为边界层内部扰动的机理，以及它们之间的定量关系，为转捩位置的预

8、测提供扰动演化的上游条件。对于高空飞行的飞行器而言，其边界层转捩由小扰动引起，称为自然转捩。下面以平板边界层为例，对边界层自然转捩的基本过程及研究内容加以说明。根据已有研究，边界层自然转捩的基本过程如图1所示(U。为来流速度)。边界层前缘后的一段流动为层流，但其中存在某些小扰动。在向下游传播的过程中，一些扰动会逐渐增大，当增大到一定程度时，就会触发转捩，使层流转变为湍流。整个转捩过程可分为以下3个阶段：1)层流阶段：包括边界层