航空航天與湍流

1、航空航天與湍流101航空航天的湍流現(xiàn)象PART ONE213航天飛行器在大氣層內(nèi)飛行時，常常遇到湍流問題，而由于現(xiàn)代飛行器越來越要求精細化設計和臨界設計，使得湍流問題愈發(fā)凸顯，甚至已經(jīng)成為設計瓶頸。轉(zhuǎn)捩與湍流對飛行器設計的影響是多方面的，例如: 影響熱防護系統(tǒng)的設計，影響有效載荷的設計，影響飛行器氣動布局的設計，影響飛行器前體與進氣道的設計，影響超燃沖壓發(fā)動機的設計等。湍流現(xiàn)象1湍流的優(yōu)點湍流的不足4湍流能夠強化混合，因而能夠用來提高燃燒效率，提高發(fā)動機性能。引起摩阻增加，產(chǎn)生氣動光學效應，引起飛行不穩(wěn)定，引起熱流成倍增加。02幾種典型湍流現(xiàn)象模型PART TWO526平板湍流邊界層平板邊界層

2、一般平板邊界層一般包含包含3 個發(fā)展階段個發(fā)展階段層流失穩(wěn)階段層流失穩(wěn)階段轉(zhuǎn)捩階段轉(zhuǎn)捩階段充分發(fā)展湍流階段充分發(fā)展湍流階段轉(zhuǎn)捩的計算方法轉(zhuǎn)捩的計算方法通過湍流模型計算通過湍流模型計算直接求解直接求解N-S方程方程求解基于小擾動理論的線求解基于小擾動理論的線性穩(wěn)定性方程和求解拋物性穩(wěn)定性方程和求解拋物線形穩(wěn)定性方程線形穩(wěn)定性方程2平板湍流邊界層層流失穩(wěn)7平板邊界層中最常見的失穩(wěn)方式是平板邊界層中最常見的失穩(wěn)方式是Tollmien-Schlichting波波(簡稱簡稱T-S波波)引起的流向行波失穩(wěn)。線性穩(wěn)定性理論能夠給出引起的流向行波失穩(wěn)。線性穩(wěn)定性理論能夠給出平板邊界層的平板邊界層的T-S不穩(wěn)定

3、波。不穩(wěn)定波。對于高超聲速邊界層流動，其最不穩(wěn)定波屬第二模擾動。對于高超聲速邊界層流動，其最不穩(wěn)定波屬第二模擾動。對于第二模擾動主導的邊界層流動，可以將表面設計成多孔對于第二模擾動主導的邊界層流動，可以將表面設計成多孔介質(zhì)，以推遲轉(zhuǎn)捩。介質(zhì)，以推遲轉(zhuǎn)捩。2平板湍流邊界層湍流階段8不穩(wěn)定擾動波經(jīng)歷線性、非線性演化，中間形成各種失不穩(wěn)定擾動波經(jīng)歷線性、非線性演化，中間形成各種失穩(wěn)結(jié)構(gòu)，最終破碎進入湍流狀態(tài)。大渦模擬方法能夠刻畫這穩(wěn)結(jié)構(gòu)，最終破碎進入湍流狀態(tài)。大渦模擬方法能夠刻畫這一過程。一過程。2平板湍流邊界層轉(zhuǎn)捩階段9確定轉(zhuǎn)捩位置和轉(zhuǎn)捩區(qū)域、以及研究雷諾數(shù)和馬赫數(shù)對確定轉(zhuǎn)捩位置和轉(zhuǎn)捩區(qū)域、以及研

4、究雷諾數(shù)和馬赫數(shù)對轉(zhuǎn)捩位置的影響是轉(zhuǎn)捩研究的重要內(nèi)容。在國內(nèi)轉(zhuǎn)捩位置的影響是轉(zhuǎn)捩研究的重要內(nèi)容。在國內(nèi)FD-20高超高超聲速風洞中采用鉑膜熱電阻測平均熱流方法，開展了高超聲聲速風洞中采用鉑膜熱電阻測平均熱流方法，開展了高超聲速平板邊界層轉(zhuǎn)捩測量試驗，所得結(jié)果與已有結(jié)論一致。速平板邊界層轉(zhuǎn)捩測量試驗，所得結(jié)果與已有結(jié)論一致。210球鈍錐或圓錐湍流邊界層相比于平板邊界層，圓錐邊界層的一個重要現(xiàn)象是轉(zhuǎn)捩存相比于平板邊界層，圓錐邊界層的一個重要現(xiàn)象是轉(zhuǎn)捩存在攻角效應，即在小攻角下，迎風面轉(zhuǎn)捩位置后移，背風面在攻角效應，即在小攻角下，迎風面轉(zhuǎn)捩位置后移，背風面轉(zhuǎn)捩位置前移。轉(zhuǎn)捩實驗給出了該現(xiàn)象，如圖轉(zhuǎn)捩

5、位置前移。轉(zhuǎn)捩實驗給出了該現(xiàn)象，如圖 4 所示，但人所示，但人們并未取得引起圓錐邊界層轉(zhuǎn)捩攻角效應的機理認識。們并未取得引起圓錐邊界層轉(zhuǎn)捩攻角效應的機理認識。211球鈍錐或圓錐湍流邊界層壓心出現(xiàn)了漂移，最大可從圓錐壓心出現(xiàn)了漂移，最大可從圓錐67%的位置向前漂移到的位置向前漂移到64%的位置，即最大可對靜穩(wěn)定度產(chǎn)生的位置，即最大可對靜穩(wěn)定度產(chǎn)生 3% 的弱化，這一結(jié)果的弱化，這一結(jié)果與俄羅斯的實驗結(jié)果一致。與俄羅斯的實驗結(jié)果一致。212混合層混合層是另一類非常典型的模型流動，通常指由兩股具混合層是另一類非常典型的模型流動，通常指由兩股具有不同速度的流體平行相遇而剪切形成的流動?；旌蠈拥难杏胁煌?/p>

6、速度的流體平行相遇而剪切形成的流動?；旌蠈拥难芯坎徽撌菍ν牧骰A研究還是對應用研究而言都有十分重要究不論是對湍流基礎研究還是對應用研究而言都有十分重要的意義。的意義。213混合層214混合層采用直接數(shù)值模擬方法采用直接數(shù)值模擬方法分別模擬了從混合層入口分別模擬了從混合層入口引入的三維諧頻共振擾動引入的三維諧頻共振擾動波和亞諧共振擾動波的發(fā)波和亞諧共振擾動波的發(fā)展過程。展過程。215混合層采用大渦模擬方法模擬采用大渦模擬方法模擬了混合層氣動光學效應，了混合層氣動光學效應，發(fā)現(xiàn)混合層不同區(qū)域光學發(fā)現(xiàn)混合層不同區(qū)域光學效應具有顯著差異，圖效應具有顯著差異，圖 9 給出了流向不同位置氣動給出了流向不同位置氣動光學傳輸