【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(cè)是其中的研究重點(diǎn)和難點(diǎn)之一。以往對(duì)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(chǎng)大多是三維邊界層。HIFiRE-5是美國(guó)和澳大利亞聯(lián)合進(jìn)行的國(guó)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(gè)長(zhǎng)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(duì)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(dòng)演化特征及轉(zhuǎn)捩預(yù)測(cè)。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(chǎng),分析了流場(chǎng)的三維特性,并與軸對(duì)稱的圓錐流場(chǎng)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(duì)轉(zhuǎn)捩位置進(jìn)行預(yù)測(cè),并與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。對(duì)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(dòng)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(dòng)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(chǎng)變化比較緩慢,速度分布存在一定的相似性。對(duì)這個(gè)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(zhǎng)率分布關(guān)于β-0不再是對(duì)稱的,不對(duì)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(duì)稱使第一模態(tài)中出現(xiàn)零頻率擾動(dòng),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(huì)對(duì)穩(wěn)定性有較大影響,使得第一模態(tài)不穩(wěn)定擾動(dòng)的頻率“集中”,導(dǎo)致擾動(dòng)的增長(zhǎng)區(qū)幾乎遍布整個(gè)橢圓錐模型;使得第二模態(tài)不穩(wěn)定擾動(dòng)的頻率“分散”,導(dǎo)致擾動(dòng)的增長(zhǎng)區(qū)僅存在于一個(gè)狹長(zhǎng)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(dòng)波頻率在50kHz左右,也與實(shí)驗(yàn)測(cè)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(zhǎng)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(duì)應(yīng)的頻率與實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的結(jié)果十分接近。4、對(duì)小幅值擾動(dòng)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(cè)橢圓錐邊界層中各個(gè)模態(tài)擾動(dòng)波的線性演化。射線跟蹤法對(duì)橫流方向波數(shù)的變化預(yù)測(cè)的非常好,但對(duì)擾動(dòng)幅值的預(yù)測(cè)比DNS結(jié)果偏低,而鞍點(diǎn)法對(duì)橫流方向波數(shù)的預(yù)測(cè)存在偏差,但對(duì)擾動(dòng)幅值的預(yù)測(cè)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(duì)有限幅值擾動(dòng)演化DNS模擬的結(jié)果表明,由于非線性的作用,擾動(dòng)幅值演化會(huì)經(jīng)歷飽和過(guò)程。橫流行進(jìn)波和橫流定常渦模態(tài)的幅值飽和過(guò)程不太相同:對(duì)于橫流行進(jìn)波,幅值達(dá)到0.2時(shí),非線性作用開始明顯,幅值達(dá)到過(guò)飽和時(shí)為0.24左右,過(guò)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(duì)于定常渦模態(tài),當(dāng)幅值達(dá)到0.3時(shí)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(guò)一段平衡后幅值會(huì)繼續(xù)增長(zhǎng),形成一種含欠飽和過(guò)程的幅值演化過(guò)程。橫流行進(jìn)波模態(tài)達(dá)到過(guò)飽和的過(guò)程較快,從非線性明顯起作用到幅值達(dá)到過(guò)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(cè)幅值達(dá)到過(guò)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(cè)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(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：V211

【相似文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 李友榮,張玉倫,陳作斌;跨聲速翼型繞流計(jì)算邊界層反方法的研究[J];空氣動(dòng)力學(xué)學(xué)報(bào);1991年02期

2 夏浩,唐登斌,陸昌根;邊界層流動(dòng)的非平行穩(wěn)定性研究[J];空氣動(dòng)力學(xué)學(xué)報(bào);2001年02期

3 毛枚良;鄧小剛;向大平;陳堅(jiān)強(qiáng);;輝光放電等離子體對(duì)邊界層流動(dòng)控制的機(jī)理研究[J];空氣動(dòng)力學(xué)學(xué)報(bào);2006年03期

4 王柏懿，陶鋒;含灰氣體激波沿平壁傳播時(shí)誘導(dǎo)的邊界層流動(dòng)[J];應(yīng)用數(shù)學(xué)和力學(xué);1996年05期

5 N·巴佐;A·伊薩克;I·波普;海治;;可滲透收縮薄膜引起的三維不穩(wěn)定邊界層流動(dòng)[J];應(yīng)用數(shù)學(xué)和力學(xué);2010年11期

6 諸乾康,俞達(dá)成,鈕珍南,顏大椿,孫維新,佟晨光,蔣明健;平板邊界層中Tollmien-Schlichting波的共振干涉[J];力學(xué)學(xué)報(bào);1989年02期

7 陸昌根;趙玲慧;沈露予;;局部擾動(dòng)對(duì)平板邊界層流動(dòng)穩(wěn)定性影響的研究[J];空氣動(dòng)力學(xué)學(xué)報(bào);2012年01期

8 謝明亮;林建忠;;邊界層流場(chǎng)時(shí)空模式動(dòng)力穩(wěn)定性的數(shù)值計(jì)算及相互轉(zhuǎn)換[J];中國(guó)計(jì)量學(xué)院學(xué)報(bào);2007年02期

9 于秀陽(yáng),周恒;平板邊界層流的非平行性對(duì)流動(dòng)穩(wěn)定性的影響[J];力學(xué)學(xué)報(bào);1986年04期

10 任燕;;二維邊界層流動(dòng)的線性穩(wěn)定性分析[J];山西建筑;2011年03期

相關(guān)會(huì)議論文 前10條

1 楊武兵;沈清;莊逢甘;;圓錐可壓縮邊界層流動(dòng)國(guó)內(nèi)最新研究進(jìn)展[A];慶祝中國(guó)力學(xué)學(xué)會(huì)成立50周年暨中國(guó)力學(xué)學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)大會(huì)’2007論文摘要集（下）[C];2007年

2 陳嘉輝;張家忠;;不同邊界下邊界層流動(dòng)的穩(wěn)定性分析[A];第九屆全國(guó)動(dòng)力學(xué)與控制學(xué)術(shù)會(huì)議會(huì)議手冊(cè)[C];2012年

3 劉建新;任杰;符松;;邊界層流動(dòng)中非平行穩(wěn)定性的雙站位求解方法[A];中國(guó)力學(xué)大會(huì)——2013論文摘要集[C];2013年

4 張華;吳星剛;孫盛東;;不同粗糙表面地面對(duì)風(fēng)沙邊界層流動(dòng)特性影響實(shí)驗(yàn)研究[A];第九屆全國(guó)實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議論文集（下冊(cè)）[C];2013年

5 曹偉;;高溫高超聲速邊界層流動(dòng)轉(zhuǎn)捩問題研究[A];現(xiàn)代數(shù)學(xué)和力學(xué)(MMM-XI)：第十一屆全國(guó)現(xiàn)代數(shù)學(xué)和力學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C];2009年

6 陳學(xué)慧;鄭連存;張欣欣;;冪律流體邊界層流動(dòng)和傳熱問題的解析近似解[A];北京力學(xué)會(huì)第13屆學(xué)術(shù)年會(huì)論文集[C];2007年

7 陳皓;鮑麟;;基于HAM的可壓縮邊界層非定常特征研究[A];中國(guó)力學(xué)學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)大會(huì)'2009論文摘要集[C];2009年

8 姜楠;;高超聲速尖錐邊界層流動(dòng)穩(wěn)定性的實(shí)驗(yàn)測(cè)量研究[A];中國(guó)科協(xié)第235次青年科學(xué)家論壇——極端復(fù)雜測(cè)試環(huán)境下實(shí)驗(yàn)力學(xué)的挑戰(zhàn)與應(yīng)對(duì)[C];2011年

9 李巖;張華;孫盛東;;不同粗糙表面大氣邊界層對(duì)風(fēng)沙邊界層流動(dòng)特性的影響實(shí)驗(yàn)研究[A];北京力學(xué)會(huì)第19屆學(xué)術(shù)年會(huì)論文集[C];2013年

10 熊向明;陶建軍;;斜板自然對(duì)流邊界層中不穩(wěn)定波的相互作用[A];北京力學(xué)會(huì)第18屆學(xué)術(shù)年會(huì)論文集[C];2012年

相關(guān)重要報(bào)紙文章 前10條

1 趙彥;研究高超聲速技術(shù)[N];中國(guó)航天報(bào);2002年

2 李大光;高超聲速技術(shù)讓武器快如閃電[N];中國(guó)國(guó)防報(bào);2011年

3 溫坤;歐美高超聲速運(yùn)輸機(jī)研究進(jìn)展[N];中國(guó)航空?qǐng)?bào);2011年

4 中國(guó)航天科工集團(tuán)公司三院310所研究員 李文杰　助理工程師 牛文;從“快速全球打擊”看美國(guó)高超技術(shù)發(fā)展[N];中國(guó)航天報(bào);2012年

5 丹丹;高超聲速點(diǎn)燃美軍激情[N];中國(guó)航空?qǐng)?bào);2011年

6 空軍裝備研究院 王治 牛文博 馬光軍;高超聲速試驗(yàn)緣何屢遭失敗[N];科技日?qǐng)?bào);2012年

7 ;高超聲速 美國(guó)之外的三股勢(shì)力[N];中國(guó)航空?qǐng)?bào);2013年

8 黃志澄;高超聲速技術(shù)方興未艾[N];大眾科技報(bào);2006年

9 謝文嬌;美國(guó)防部發(fā)射高超聲速試驗(yàn)飛行器[N];中國(guó)航空?qǐng)?bào);2010年

10 曉麗;美國(guó)研制新型高超聲速無(wú)人機(jī)武器系統(tǒng)[N];中國(guó)航空?qǐng)?bào);2003年

相關(guān)博士學(xué)位論文 前10條

1 張紹龍;高超聲速2:1橢圓錐邊界層的穩(wěn)定性特征及擾動(dòng)演化[D];天津大學(xué);2016年

2 高軍;超聲速邊界層的穩(wěn)定性分析方法及聲波感受性[D];天津大學(xué);2014年

3 任杰;高超聲速邊界層G銉r(jià)tler渦二次失穩(wěn)和轉(zhuǎn)捩控制研究[D];清華大學(xué);2015年

4 周哲;存在半球粗糙元的發(fā)展平板邊界層流動(dòng)中的顆粒輸運(yùn)的直接數(shù)值模擬研究[D];浙江大學(xué);2010年

5 唐湛棋;強(qiáng)擾動(dòng)作用于邊界層的PIV實(shí)驗(yàn)研究[D];天津大學(xué);2014年

6 肖豐收;若干典型高超聲速激波干擾流動(dòng)特性研究[D];中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué);2016年

7 黃國(guó);高超聲速環(huán)境下縫隙熱環(huán)境的數(shù)值模擬研究[D];北京交通大學(xué);2017年

8 彭鈞;高超聲速巡航飛行器乘波布局設(shè)計(jì)研究[D];南京航空航天大學(xué);2007年

9 潘勇;高超聲速流場(chǎng)磁場(chǎng)干擾效應(yīng)數(shù)值模擬方法研究[D];南京航空航天大學(xué);2007年

10 范培蕾;多目標(biāo)優(yōu)化方法及其在高超聲速試飛器系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[D];國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué);2009年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前10條

1 劉俊林;超聲速軸對(duì)稱激波與邊界層相互作用研究[D];國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué);2013年

2 劉開平;局部粗糙元對(duì)超聲速邊界層中擾動(dòng)演化的影響[D];天津大學(xué);2014年

3 何成明;超聲波驅(qū)動(dòng)微流體及聲流邊界層的數(shù)值研究[D];華中科技大學(xué);2015年

4 張鋒;可壓縮平板邊界層的非平行穩(wěn)定性研究[D];天津大學(xué);2007年

5 張永明;自由流中渦擾動(dòng)的當(dāng)?shù)剡吔鐚痈惺苄缘臄?shù)值研究[D];天津大學(xué);2004年

6 程子平;高超聲速滑翔飛行器俯沖段制導(dǎo)方法研究[D];國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué);2013年

7 陸小革;基于LabWindows/CVI的高超聲速靜風(fēng)洞測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[D];國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué);2013年

8 楊武;高超聲速壁板流固熱耦合建模與分析[D];南京航空航天大學(xué);2015年

9 徐飛;高超聲速翼面的流固熱多場(chǎng)耦合分析[D];南京航空航天大學(xué);2015年

10 雷明達(dá);高超聲速流場(chǎng)與黑障減緩的仿真研究[D];電子科技大學(xué);2016年

，

本文編號(hào)：2387208