【摘要】：高超聲速飛行器的研制一直是航空航天領(lǐng)域的熱門,邊界層轉(zhuǎn)捩位置的預(yù)測是其中的研究重點(diǎn)和難點(diǎn)之一。以往對高超聲速邊界層轉(zhuǎn)捩的研究多集中在平板或圓錐等二維邊界層,而新型高超聲速飛行器的設(shè)計(jì)中一般采用乘波體外形,這類外形的流場大多是三維邊界層。HIFiRE-5是美國和澳大利亞聯(lián)合進(jìn)行的國際高超聲速飛行實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目第五次飛行計(jì)劃中,專門為研究三維邊界層的轉(zhuǎn)捩而設(shè)計(jì)的飛行器外形,它是一個長短軸之比為2:1的橢圓錐模型,該模型更貼近工程實(shí)際。本文針對HIFiRE-5橢圓錐模型,研究高超聲速三維邊界層的穩(wěn)定性特征、擾動演化特征及轉(zhuǎn)捩預(yù)測。本文計(jì)算了與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)工況相同的橢圓錐模型的基本流流場,分析了流場的三維特性,并與軸對稱的圓錐流場進(jìn)行了比較。用LST方法全面分析了橢圓錐邊界層主要區(qū)域的穩(wěn)定性特征,用eN方法對轉(zhuǎn)捩位置進(jìn)行預(yù)測,并與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行了對比。對橢圓錐短軸附近的流向渦結(jié)構(gòu),進(jìn)行了全局穩(wěn)定性分析。最后,用數(shù)值模擬的方法計(jì)算了HIFiRE-5橢圓錐邊界層中擾動波的演化,與理論結(jié)果進(jìn)行了比較,還計(jì)算了行進(jìn)波和定常渦擾動的非線性演化。所得主要結(jié)論如下:1、橢圓錐邊界層存在橫流速度,為典型的三維邊界層,短軸附近存在流向渦結(jié)構(gòu)。流向渦的展向?qū)挾妊亓飨蚧静蛔?但邊界層厚度在展向變化比較劇烈。流向渦區(qū)域需要用全局穩(wěn)定性進(jìn)行分析,除流向渦區(qū)域以外的大部分區(qū)域,流場變化比較緩慢,速度分布存在一定的相似性。對這個主要區(qū)域,可以用線性穩(wěn)定性理論進(jìn)行分析。2、橢圓錐邊界層的主要區(qū)域中:1)橫流的存在使得增長率分布關(guān)于β-0不再是對稱的,不對稱的程度與橫流速度及橫流方向波數(shù)的乘積β_w有關(guān)。這種不對稱使第一模態(tài)中出現(xiàn)零頻率擾動,影響轉(zhuǎn)捩發(fā)生的機(jī)理。2)邊界層厚度的展向不均勻性也會對穩(wěn)定性有較大影響,使得第一模態(tài)不穩(wěn)定擾動的頻率“集中”,導(dǎo)致擾動的增長區(qū)幾乎遍布整個橢圓錐模型;使得第二模態(tài)不穩(wěn)定擾動的頻率“分散”,導(dǎo)致擾動的增長區(qū)僅存在于一個狹長的區(qū)域內(nèi)。因此,第一模態(tài)的N值包絡(luò)比第二模態(tài)的N值包絡(luò)大得多。3)由理論得到的第一模態(tài)N值包絡(luò)的等值線與噪聲風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的轉(zhuǎn)捩位置符合較好,分析得到的主導(dǎo)轉(zhuǎn)捩的擾動波頻率在50kHz左右,也與實(shí)驗(yàn)測量吻合。橫流定常渦的N值等值線與靜風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的轉(zhuǎn)捩位置符合比較好。3、橢圓錐邊界層的流向渦區(qū)域中,全局穩(wěn)定性分析發(fā)現(xiàn),存在兩種不穩(wěn)定模態(tài),Y-模態(tài)和Z-模態(tài)。Y-模態(tài)的增長率要比Z-模態(tài)的大,Y-模態(tài)更有可能主導(dǎo)流向渦區(qū)域的轉(zhuǎn)捩。Y-模態(tài)最大N值對應(yīng)的頻率與實(shí)驗(yàn)中測得的結(jié)果十分接近。4、對小幅值擾動演化DNS模擬的結(jié)果表明,理論分析能夠比較可靠的預(yù)測橢圓錐邊界層中各個模態(tài)擾動波的線性演化。射線跟蹤法對橫流方向波數(shù)的變化預(yù)測的非常好,但對擾動幅值的預(yù)測比DNS結(jié)果偏低,而鞍點(diǎn)法對橫流方向波數(shù)的預(yù)測存在偏差,但對擾動幅值的預(yù)測反而比較好。造成這種現(xiàn)象的原因可能是非平行性的影響,還需要進(jìn)一步深入研究。5、對有限幅值擾動演化DNS模擬的結(jié)果表明,由于非線性的作用,擾動幅值演化會經(jīng)歷飽和過程。橫流行進(jìn)波和橫流定常渦模態(tài)的幅值飽和過程不太相同:對于橫流行進(jìn)波,幅值達(dá)到0.2時,非線性作用開始明顯,幅值達(dá)到過飽和時為0.24左右,過飽和后幅值逐漸衰減,進(jìn)入飽和狀態(tài)幅值為0.1左右;對于定常渦模態(tài),當(dāng)幅值達(dá)到0.3時非線性作用開始明顯,其飽和幅值較大,為0.4左右,達(dá)到飽和幅值后,經(jīng)過一段平衡后幅值會繼續(xù)增長,形成一種含欠飽和過程的幅值演化過程。橫流行進(jìn)波模態(tài)達(dá)到過飽和的過程較快,從非線性明顯起作用到幅值達(dá)到過飽和峰值的距離也比較短。因此,可以用線性穩(wěn)定性理論預(yù)測幅值達(dá)到過飽和峰值的位置,為橫流行進(jìn)波模態(tài)引起的轉(zhuǎn)捩預(yù)測提供了理論基礎(chǔ)。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：天津大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：V211

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