摘要：发展工程实用的转捩预测方法对于超声速民机层流减阻设计具有重要的意义。传统针对亚跨声速层流机翼设计的转捩预测方法仅考虑了二维Tollmien-Schlichting(TS)波和横流驻波诱导的转捩,无法满足超声速机翼边界层考虑三维TS斜波和横流行波的转捩预测需要。本文改进了双N因子扰动放大因子积分策略,提出了一种适用于超声速层流机翼设计的eN方法。该方法采用固定波角和固定频率方法来寻找不稳定TS斜波和CF行波扰动,再通过固定展向波数/固定频率方法或包络线方法计算其扰动放大因子,实现了考虑TS斜波和CF行波的转捩自动判断。进一步将该方法和雷诺平均Navier-Stokes方程(RANS)求解器结合,发展了耦合eN转捩预测的超声速机翼RANS方程数值模拟方法。针对来流马赫数2.0、后掠角65°的NASA超声速试验机翼,开展了边界层稳定性分析。结果表明,在不同雷诺数下计算得到的横流行波与驻波的扰动放大因子均与文献结果基本吻合,验证了本文方法的正确性。此外,还将本文方法应用于来流马赫数2.0、雷诺数1.39×107、后掠角60°的无限翼展层流机翼初步设计。为了抑制超声速大后掠机翼边界层横流不稳定性,分析并提出了一种使流动在机翼前缘迅速加速、继而维持微弱压力梯度的理想压力分布。经数值模拟评估,设计机翼上表面接近为全层流,验证了本文方法对于超声速民机层流机翼设计的适用性。

摘要：高精度CFD求解器是翼型设计的基础,而翼型流动转捩的准确预测是提高数值模拟精度的关键之一。eN方法是比较可靠的且可应用于翼型设计的转捩判断方法,但目前国内耦合eN转捩预测与二维雷诺平均N-S(RANS)方程求解器的研究仍需要通过求解层流边界层方程为转捩判断提供所需的边界层信息。这种方法不能处理含层流分离泡的流动。为解决上述问题,文章发展了一种直接求解RANS方程为转捩判断提供高精度的边界层解的方法,耦合基于线性稳定性理论的eN转捩判断方法实现了含层流分离泡流动的转捩点自动判断。采用文中方法对含层流分离泡的翼型绕流进行了数值模拟,转捩预测位置与实验值吻合较好,气动力计算精度得到了提高,验证了该方法的有效性。

摘要：e^(N)方法是物理意义明确的转捩预测方法之一,但它无法考虑边界层中的局部突变(如粗糙元、缝隙、台阶等)对转捩的影响.而后者在飞行器表面经常出现.近期发展的局部散射理论框架提供了该问题的有效解决途径.该理论框架从转捩的物理机理出发,定量刻画局部感受性和线性模态的局部散射两个机制,并用参数化的感受性系数和透射系数修正转捩判据.为了验证该理论框架的有效性,设计了一套高超声速边界层的直接数值模拟方案:分别在光滑壁与粗糙壁两种工况下引入相同的初始失稳模态,计算它们触发转捩的过程,并定量考察粗糙元对转捩的影响.数值模拟结果与描述线性模态局部散射机制的理论预测吻合很好.

摘要：在设计短舱外罩型线时,希望尽可能使其表面边界层保持层流状态,以减小摩阻,提高有效载荷。理解边界层的转捩机制,并准确预估转捩发生的位置,有利于有效评估不同外罩型线设计方案。以巡航状态下3种不同外罩型线的通气短舱为研究对象,采用线性稳定性理论分析了边界层稳定性特征,并综合考虑T-S波和激波诱导分离泡这两种转捩机制,预测了不同外罩型线下短舱边界层的转捩位置。结果表明,逆压梯度越大,T-S波越不稳定,流动分离的位置也越靠前。因此,设计时应尽可能保持大范围的顺压梯度并减小逆压梯度,这将有利于推迟转捩发生。此外,针对风洞实验中的短舱缩比模型,比较了预测的转捩位置与实验转捩位置,发现两者的转捩线在形态上非常一致,进一步证实了预测方法的有效性。

摘要：为确保高超声速进气道的安全工作,其压缩面边界层在进入其内流道前必须完成转捩。针对高超声速进气道边界层转捩需要,依据二维高超声速边界层转捩机理,尝试了一种新型低阻高效的边界层人工转捩方法,在FD-07风洞中开展了试验验证。试验中首先通过进气道对称面压力分布和激波纹影获得进气道的自起动情况,进而推断进气道入口前的边界层转捩情况。试验包括进气道前体边界层自然转捩和人工转捩,试验结果表明在Ma=5、6,迎角α=0°来流条件下,使用同一波长的人工转捩带可以成功实现进气道边界层转捩,验证了基于线性稳定性理论设计的人工转捩带在宽马赫数范围的适用性。

摘要：边界层转捩是高超声速飞行器设计中需要考虑的重要问题。在飞行器上升段,Mach数和飞行高度同时增加,两者共同影响转捩发生的位置。以平板边界层为研究对象,采用线性稳定性理论和e N方法,研究了高超声速飞行器上升段(Mach数4~6、飞行高度14~25 km)Mach数和飞行高度对边界层稳定性和转捩的影响规律。研究结果表明,边界层中起主导作用的第2模态不稳定波随着Mach数增加更不稳定,而随着飞行高度增加反而更稳定。进一步分析了HIFiRE-1上升阶段典型弹道点上边界层的稳定性,发现在Mach数和飞行高度的共同作用下,第2模态的增长率在上升段先增大后减小,转捩位置也相应地呈现出先前移再推后的非单调现象。