超声速曲壁边界层中Görtler涡的形成与失稳机制及控制方法研究

For a supersonic/hypersonic aircraft, the impact of streamline curvature on the boundary layers formed both in the internal and external flow paths are generally inevitable. The impact of the Görtler instability on the on the performance of the aircraft is significant. Currently, the understanding of Görtler instability under the supersonic condition is far from enough. In present program, we are planning to combine the use of wind-tunnel experiment and Direct Numerical Simulation to have a systematic investigation of the Görtler instability, including the mechanisms of formation, development, secondary instability et al. Through varying the wall curvature, inflow Mach number and the inflow perturbation, the receptivity of the Görtler flow will be studied. Apart from that, physical mechanisms relating to the evolution, mutual interactions and the final transition will be studied and uncovered as well. Based on the experimental and numerical data and the acquired knowledge of the Görtler instability, the method used for transition prediction of the flat-plate boundary layer will be modified to make it suitable to a concave boundary layer. Besides, the finite-amplitude-streak method for the control of boundary layer transition will be investigated, including the impacts of generating ways, spanwise wave length and amplitude of the finite-amplitude-streak. Optimized and effective methods for control of the boundary layer transition will be given.

在飞行器内外流道中，各表面上形成的边界层广泛受到流向曲率效应的影响，由流向凹曲率引入的Görtler涡对飞行器各部件性能影响深刻，目前关于超声速边界层Görtler涡的研究基础总体薄弱。本项目拟采用超声速静风洞与直接数值模拟相结合的手段，系统研究超声速边界层中Görtler涡的形成、发展与二次失稳机制。通过改变壁面曲率、来流马赫数、以及自由流扰动形式与强度等，一方面研究Görtler流动对扰动的响应规律；另一方面研究Görtler流动中各模态不稳定波如何演化、如何相互作用、如何发展并诱导边界层转捩等基础物理问题。基于实验与仿真数据以及对物理机制的认识，修正传统适用于平板边界层的转捩预测方法，建立适用于超声速凹曲壁边界层预测方法。研究有限幅值条带的引入方式、展向波长和强度等对Görtler流动转捩的影响，给出优化的边界层转捩控制方法。

在飞行器内外流道中，各表面上形成的边界层广泛受到流向曲率效应的影响，由流向凹曲率引入的Görtler涡对飞行器各部件性能影响深刻。特别是对于高超声速飞行器进排气系统的设计及优化，深入研究弯曲型面上形成的边界层中Görtler涡的发展演化过程、规律以及作用机制等具有重要意义。.针对这一问题，本项目综合采用了直接数值模拟方法和基于纳米粒子平面激光散射与粒子图像测速的风洞实验方法开展项目研究工作。其中主要研究内容包括：超声速边界层中Görtler涡形成与发展特性、流向弯曲诱导边界层中形成有序大尺度流向结构的物理机制、流向逆压梯度作用超声速边界层的规律与机制以及Görtler涡周围小尺度结构形成过程等。.本项目研究表明，边界层在离心力和逆压梯度作用下，边界层的一次失稳诱导生成Görtler涡。随着往下游发展，其尺度不断增长，并不断将内层低速流体向属于到外层，增强的剪切作用使Görtler涡周围形成大量小尺度结构，围绕在初始Görtler涡周围，形成稳定的往流场下游延伸的大尺度流向结构。在实验和直接数值模拟中均观察到了类似的现象，大尺度流向结构形成后，边界层内外层的动量输运显著增强，改变边界层的时均和统计参数分布。耦合于曲面压缩边界层中的流向逆压梯度对边界层特性同样具有显著的影响，这是在前人工作中未能有效研究的问题。在只受流向逆压梯度影响的超声速平板边界层中，也存在与曲面压缩边界层类似且明显的沿流向延伸并在展向有序排列的大尺度结构，但其尺度不及凹曲壁边界层，由逆压梯度引入的斜压效应对于大尺度结构的形成中起到重要的作用。.本项目的研究有效加深了对超声速边界层中Görtler不稳定这一流体力学中的基础问题认识。研究结果对于高超声速飞行器进排气系统的设计与优化具有重要参考价值。