航空航天与湍流

1、航空航天与湍流101航空航天的湍流现象PART ONE213航天飞行器在大气层内飞行时，常常遇到湍流问题，而由于现代飞行器越来越要求精细化设计和临界设计，使得湍流问题愈发凸显，甚至已经成为设计瓶颈。转捩与湍流对飞行器设计的影响是多方面的，例如: 影响热防护系统的设计，影响有效载荷的设计，影响飞行器气动布局的设计，影响飞行器前体与进气道的设计，影响超燃冲压发动机的设计等。湍流现象1湍流的优点湍流的不足4湍流能够强化混合，因而能够用来提高燃烧效率，提高发动机性能。引起摩阻增加，产生气动光学效应，引起飞行不稳定，引起热流成倍增加。02几种典型湍流现象模型PART TWO526平板湍流边界层平板边界层

2、一般平板边界层一般包含包含3 个发展阶段个发展阶段层流失稳阶段层流失稳阶段转捩阶段转捩阶段充分发展湍流阶段充分发展湍流阶段转捩的计算方法转捩的计算方法通过湍流模型计算通过湍流模型计算直接求解直接求解N-S方程方程求解基于小扰动理论的线求解基于小扰动理论的线性稳定性方程和求解抛物性稳定性方程和求解抛物线形稳定性方程线形稳定性方程2平板湍流边界层层流失稳7平板边界层中最常见的失稳方式是平板边界层中最常见的失稳方式是Tollmien-Schlichting波波(简称简称T-S波波)引起的流向行波失稳。线性稳定性理论能够给出引起的流向行波失稳。线性稳定性理论能够给出平板边界层的平板边界层的T-S不稳定

3、波。不稳定波。对于高超声速边界层流动，其最不稳定波属第二模扰动。对于高超声速边界层流动，其最不稳定波属第二模扰动。对于第二模扰动主导的边界层流动，可以将表面设计成多孔对于第二模扰动主导的边界层流动，可以将表面设计成多孔介质，以推迟转捩。介质，以推迟转捩。2平板湍流边界层湍流阶段8不稳定扰动波经历线性、非线性演化，中间形成各种失不稳定扰动波经历线性、非线性演化，中间形成各种失稳结构，最终破碎进入湍流状态。大涡模拟方法能够刻画这稳结构，最终破碎进入湍流状态。大涡模拟方法能够刻画这一过程。一过程。2平板湍流边界层转捩阶段9确定转捩位置和转捩区域、以及研究雷诺数和马赫数对确定转捩位置和转捩区域、以及研

4、究雷诺数和马赫数对转捩位置的影响是转捩研究的重要内容。在国内转捩位置的影响是转捩研究的重要内容。在国内FD-20高超高超声速风洞中采用铂膜热电阻测平均热流方法，开展了高超声声速风洞中采用铂膜热电阻测平均热流方法，开展了高超声速平板边界层转捩测量试验，所得结果与已有结论一致。速平板边界层转捩测量试验，所得结果与已有结论一致。210球钝锥或圆锥湍流边界层相比于平板边界层，圆锥边界层的一个重要现象是转捩存相比于平板边界层，圆锥边界层的一个重要现象是转捩存在攻角效应，即在小攻角下，迎风面转捩位置后移，背风面在攻角效应，即在小攻角下，迎风面转捩位置后移，背风面转捩位置前移。转捩实验给出了该现象，如图转捩

5、位置前移。转捩实验给出了该现象，如图 4 所示，但人所示，但人们并未取得引起圆锥边界层转捩攻角效应的机理认识。们并未取得引起圆锥边界层转捩攻角效应的机理认识。211球钝锥或圆锥湍流边界层压心出现了漂移，最大可从圆锥压心出现了漂移，最大可从圆锥67%的位置向前漂移到的位置向前漂移到64%的位置，即最大可对静稳定度产生的位置，即最大可对静稳定度产生 3% 的弱化，这一结果的弱化，这一结果与俄罗斯的实验结果一致。与俄罗斯的实验结果一致。212混合层混合层是另一类非常典型的模型流动，通常指由两股具混合层是另一类非常典型的模型流动，通常指由两股具有不同速度的流体平行相遇而剪切形成的流动。混合层的研有不同

6、速度的流体平行相遇而剪切形成的流动。混合层的研究不论是对湍流基础研究还是对应用研究而言都有十分重要究不论是对湍流基础研究还是对应用研究而言都有十分重要的意义。的意义。213混合层214混合层采用直接数值模拟方法采用直接数值模拟方法分别模拟了从混合层入口分别模拟了从混合层入口引入的三维谐频共振扰动引入的三维谐频共振扰动波和亚谐共振扰动波的发波和亚谐共振扰动波的发展过程。展过程。215混合层采用大涡模拟方法模拟采用大涡模拟方法模拟了混合层气动光学效应，了混合层气动光学效应，发现混合层不同区域光学发现混合层不同区域光学效应具有显著差异，图效应具有显著差异，图 9 给出了流向不同位置气动给出了流向不同位置气动光学传输