高超声速三维边界层中横流定常涡的二次失稳

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• 论文作者：赵磊 ; 罗纪生
• 年：2016
• 作者机构：天津大学机械工程学院力学系;
• 论文关键词：横流定常涡 ; 二次失稳 ; 全局稳定性分析 ; 非正交坐标系 ; 高超声速三维边界层
• 会议召开时间：2016-10-20
• 会议录名称：第九届全国流体力学学术会议论文摘要集
• 语种：中文
• 分类号：O35
• 学会代码：AGLU
• 会议名称：第九届全国流体力学学术会议
• 会议地点：中国江苏南京
• 主办单位：中国力学学会流体力学专业委员会
• 学会名称：中国力学学会
• 页数：1
• 文件大小：42k
• 原文格式：O
• 会议级别：全国

摘要

横流失稳是后掠流动中的典型失稳机制,存在定常涡与行进波两种失稳模态。在高空飞行环境中,自由流湍流度较低,定常涡模态主导转捩过程。边界层内的定常涡扰动先后经历线性及非线性增长阶段,非线性作用使扰动幅值达到饱和,但不能促发边界层的转捩。实验及理论研究发现,二次失稳过程是横流失稳导致边界层转捩的关键阶段。二维全局(bi-global)稳定性分析是研究横流二次失稳的主要理论方法。传统的理论分析框架建立在涡轴方向的正交坐标系中,本文称之为正交分析框架,其本身存在理论不自洽的问题。这种理论上的不自洽问题可以采用非正交分析框架解决,即完全在非正交坐标系下研究二次失稳问题。但非正交分析框架的推导和计算过程十分复杂繁琐。本文提出了一种新的理论分析框架,选择笛卡尔坐标系下的物理量为变量,而将这些变量的控制方程建立在非正交坐标系上,本文称之为半正交分析框架。这种理论分析框架在理论上是自洽的,且避免了非正交分析框架的复杂性。采用直接数值模拟方法对理论结果进行了检验,理论结果不仅准确地预测了二次失稳扰动的相速度与特征函数剖面,对增长率的预测也给出了比较好的结果。针对高超声速后掠钝板边界层,采用半正交分析框架研究了横流定常涡的时间模式的二次失稳。研究结果显示,在横流定常涡达到饱和之前,已经存在二次失稳模态,失稳模态的数量较少。横流定常涡达到饱和以后,基本流高度扭曲,二次失稳模态的数量随之显著增加。不同的二次失稳模态与基本流剖面不同位置处的剪切作用密切相关。

引文