小攻角鈍錐高超聲速邊界層的擾動演化.pdf

1、本文采用數(shù)值模擬的方法,以小攻角鈍錐邊界層這一典型的三維高超聲速邊界層為研究對象,研究了高超聲速流動中邊界層內(nèi)擾動的演化。
　　 在基本流計(jì)算方面,對傳統(tǒng)拋物化 N-S方程(PNS方程)求解過程中的流向壓力梯度的處理方法進(jìn)行了改進(jìn),用邊界層上緣的壓力流向梯度代替方程中的壓力流向梯度項(xiàng),使之提供的定常流可以做為基本流用于進(jìn)行流動穩(wěn)定性分析。
　　 分別對小幅值和有限幅值擾動的演化進(jìn)行了研究。通過數(shù)值計(jì)算驗(yàn)證了線性穩(wěn)定性理論

2、在該類高超聲速三維邊界層中的適用性:對給定入口兩組不同頻率分布的擾動,研究了小攻角鈍錐的周向非對稱轉(zhuǎn)捩的特征；研究了擾動在流場中的非線性演化特征；研究了小攻角鈍錐邊界層中有限幅值擾動的演化,并與零攻角鈍錐、高超聲速及不可壓縮平板中波包型擾動的演化進(jìn)行了對比。
　　 通過本文的研究所得結(jié)論如下:
　　 1.小攻角鈍錐邊界層的基本流可以按照三維性的強(qiáng)弱不同分成兩個區(qū)域。在迎風(fēng)面及側(cè)面的部分(0-135度的區(qū)域),邊界層沿周向

3、變化不大,線性穩(wěn)定性理論可以比較準(zhǔn)確的預(yù)測擾動的增長；在背風(fēng)面附近區(qū)域,邊界層變化比較劇烈,擾動演化呈現(xiàn)明顯的三維特征。但在考慮流場三維性的情況下,選取基本流周向變化劇烈區(qū)域長度的一半作為三維擾動的等效展向波長,線性穩(wěn)定性理論也能夠比較好的預(yù)測擾動的增長。
　　 2.當(dāng)基本擾動波增長到一定幅值時,原本為衰減的擾動波在非線性的作用下會增長起來；而基本波還將在一段距離內(nèi)保持線性增長,當(dāng)基本擾動波的幅值增長到大約0.05-0.1左右時

4、,其演化才明顯地呈現(xiàn)非線性特征。這一規(guī)律在迎風(fēng)面、側(cè)面和背風(fēng)面都存在。
　　 3.通過在計(jì)算域入口引入兩種頻率組分不同的擾動,得到了兩種轉(zhuǎn)捩位置的分布。這表明,轉(zhuǎn)捩位置沿周向的分布與入口不穩(wěn)定波的頻率和幅值有很大的關(guān)系。某一子午面的轉(zhuǎn)捩位置主要決定于該子午面附近最不穩(wěn)定波的增長率及該擾動在入口處的幅值。根據(jù)這一特點(diǎn),結(jié)合穩(wěn)定性分析的結(jié)果及實(shí)驗(yàn)中背景擾動幅值分布的特點(diǎn),可以解釋大多數(shù)轉(zhuǎn)捩實(shí)驗(yàn)中,背風(fēng)面先轉(zhuǎn)捩,迎風(fēng)面后轉(zhuǎn)捩的現(xiàn)象,還

5、可以解釋在150度子午面上出現(xiàn)的轉(zhuǎn)捩位置“凹陷”的現(xiàn)象。
　　 4.數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn),在迎風(fēng)面和側(cè)面處,入口的等幅值的擾動波會在下游演化成波包型分布,隨后在更下游的流場中激發(fā)出小尺度三維擾動。這種小尺度擾動的定常部分是一種流向條紋結(jié)構(gòu),其周向波長都在ψ／π≈0.014-0.016之間。而非定常部分的快速增長的機(jī)理應(yīng)該屬于二次失穩(wěn)理論中的基本模態(tài)失穩(wěn)。
　　 5.在零攻角的鈍錐邊界層中,入口加入波包型擾動,也會在下游激發(fā)起與小

6、攻角流動時迎風(fēng)面類似的小尺度三維結(jié)構(gòu),其展向波長依然在ψ／π≈0.014—0.016之間。入口擾動分布越集中,該結(jié)構(gòu)越靠近上游出現(xiàn)。通過與高超聲速及不可壓縮平板的波包型擾動演化的對比,發(fā)現(xiàn)這種擾動的出現(xiàn)是高超聲速邊界層中的一種特殊現(xiàn)象。
　　 6.在背風(fēng)面,基本流的三維性比較強(qiáng),在其影響下基本擾動是三維的,當(dāng)基本擾動的幅值增長到足夠大時,將會激發(fā)起二次諧波及高次諧波,使得流場呈“胞格狀”分布,隨后將導(dǎo)致流場轉(zhuǎn)捩。背風(fēng)面三維波的展