课题基金 / 基金详情

超声速三维边界层感受性问题的研究

批准号:
12072164
项目类别:
面上项目
资助金额:
62.0 万元
负责人:
陆昌根
依托单位:
学科分类:
湍流与流动稳定性
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
陆昌根

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
超声速三维边界层感受性问题是可压缩三维边界层转捩过程预测与控制的关键阶段,其对超声速飞行器的研究和设计至关重要。目前,有关超声速三维边界层感受性的实验、理论和数值研究的相关报道甚少;因此,开展超声速三维边界层感受性关键问题的研究不仅具有十分重要的理论意义,而且还有着广阔的实际应用前景。本课题以无限薄后掠翼平板三维边界层为物理模型,构造无振荡的、高精度高分辨的WENO格式和四阶精度修正的TVD Runge-Kutta来进行时间推进与展向采用傅利叶展开相结合的方法;研究在自由来流扰动(如声波、涡波和熵波扰动)作用下激发超声速三维边界层内形成感受性过程的起因;揭示不同自由来流扰动与激波相互作用所激发超声速三维边界层内形成初始失稳模态的感受性过程的异同点;建立自由来流扰动在超声速三维边界层内被诱导出感受性过程中所起的作用和地位;寻找在超声速三维边界层内被诱导出失稳模态向下游演化的机制转换等。
英文摘要
The supersonic receptivity in the three-dimensional boundary layer is the key stage of the prediction and control of the laminar-turbulent transition in the compressible three-dimensional boundary layer, which is crucial to the design and research for the supersonic aircraft. By now, the reports about the experiments, theories or numerical studies on the receptivity in the supersonic three-dimensional boundary layers are little. Therefore, the studies of the key issues on the receptivity in the supersonic three-dimensional boundary layers are not only of theoretical significance, but also of practical application. This project is formulated by the physical model of the three-dimensional boundary layer over an infinite-thin swept flat plate. The non-oscillation, high-resolution WENO spatial schemes and fourth-order modified Runge-Kutta with TVD temporal scheme combined with the fast Fourier transform in the spanwise direction are introduced for the numerical simulation. DNS is performed to study the formation of the instability in the supersonic three-dimensional boundary layers under the free-stream disturbances such as acoustic, vortical and entropy waves. It is going to reveal the similarities and differences among the receptivity in the supersonic three-dimensional boundary layers triggered by different types of the free-stream disturbances interacting with the shock wave. The effect and position of the free-stream disturbances on the receptivity in the supersonic three-dimensional boundary layers are established. And find the transfer mechanism of downstream evolution of the unstable modes induced by free-stream disturbances in the supersonic three-dimensional boundary layers.
超声速三维边界层感受性问题是可压缩三维边界层转捩过程预测与控制的关键阶段,其对超声速飞行器的研究和设计至关重要。课题组成功开发了一套基于激波捕捉法的高精度直接数值模拟程序。该程序集成了多种先进的矢通量分裂格式和激波捕捉格式,并采用高精度显式迎风差分格式与紧致迎风差分格式用于激波装配法,以及用3阶TVD Runge-Kutta格式作为时间积分方法。通过激波捕捉法,揭示了三维涡扰动与激波相互作用后,在激波后产生的自由流涡扰动与扰动频率、入射角度以及展向波数之间的复杂关系;并且在同频率的横流不稳定模态的增长率之间存在显著差异,主要分为低频模态和高频模态两支;还给出了低频和高频自由流涡扰动激发横流不稳定模态的物理机制,并成功地从边界层中提取了不稳定横流模态,包括黏性和无黏模态等。紧接着研究了入射角度、马赫数对超声速横流感受性的影响。对于低频自由流涡扰动,其感受性系数随法向入射角度的增加而单调递减;而对于三维涡扰动,则存在最优法向入射角度,且该最优角度随展向入射角度的增加而增大。对于高频自由流涡扰动,感受性系数随着法向入射角的增加而单调递减。此外,还给出了感受性系数对法向入射角的敏感性高于展向入射角。其次,通过声波扰动、涡波扰动和熵波扰动对超声速边界层感受性问题的研究,发现了自由流熵扰动激发的边界层不稳定模态的感受性系数比自由流涡扰动要低一个量级,且其感受性系数随着法向入射角度的增大而单调递减。自由流快声波激发的感受性系数比自由流涡扰动高一个量级,且二维快声波的感受性系数随法向入射角度的增大而递减,三维快声波则呈现先增大后减小的趋势。自由流慢声波激发的感受性系数较快声波大,且随法向入射角度的增大而递减,展向入射角度增大时,三维慢声波的感受性系数逐渐减小。对于低频自由流涡扰动,感受性系数对壁面扰动温度条件不敏感;而对于高频自由流涡扰动,感受性系数则显著受壁面扰动温度条件的影响。当马赫数较低时,不稳定模态仅存在第一模态;当马赫数不断增加到4.5左右时,同时存在第一、二两种不稳定模态;当马赫数增加到6马赫数后,将出现高级不稳定模态等。综上所述,该研究不仅揭示了不同外部扰动对超声速横流感受性问题的复杂影响,还为实际工程应用中如何控制和优化飞行器的气动性能提供了有益的理论基础。
后掠翼三维边界层感受性机制的直接数值模拟
  • 批准号:
    11472139
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    88.0万元
  • 批准年份:
    2014
  • 负责人:
    陆昌根
  • 依托单位:
边界层感受性问题的数值研究
  • 批准号:
    11172143
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    65.0万元
  • 批准年份:
    2011
  • 负责人:
    陆昌根
  • 依托单位:
转捩边界层中局部扰动激发形成大尺度涡结构的非线性机制
  • 批准号:
    10872097
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    39.0万元
  • 批准年份:
    2008
  • 负责人:
    陆昌根
  • 依托单位:
国内基金
海外基金