在高超声速飞行器的气动力/热设计中,边界层转捩是关键问题之一。湍流边界层的摩擦力和表面热流远高于层流边界层,因此边界层转捩与否直接影响飞行器的气动力和热环境,进而影响其有效载荷。对于吸气式高超声速飞行器,前体的湍流边界层可稳定流动,减小或消除因强逆压梯度而引起的边界层分离,改善飞行器的气动性能和进气道的起动性能。对于缩比的实验模型和验证飞行模型,由于前体较短,进气道唇口处的流动通常不能完成自然转捩,因此需要在前体添加粗糙单元,以诱导流动转捩为湍流。评价粗糙单元诱导转捩的性能优劣,必须综合考虑其转捩效果及其带来的气动力、热增量。本文利用基于有限体积的直接数值模拟方法,采用高分辨率的MDCD-WENO重构格式,对不同形状粗糙单元诱导的高超声速边界层转捩进行了评估,指导湍流发生器的工程设计。首先,直接模拟了具有详细非定常实验数据的圆柱形粗糙单元诱导高超声速边界层转捩算例。结果表明,马蹄涡和剪切层失稳主导了粗糙单元下游的流动转捩。计算的分离泡主频与实验非常相近,同时揭示出射流频率。通过本算例,验证了程序模拟该类转捩问题的适用性与准确性。其次,对工程中可能用到的斜坡形、钻石形和圆柱形粗糙单元的转捩效果开展了综合评估。定量分析了转捩距离、尾迹扰动的幅值与增长率、尾迹宽度等流动特征;采用动态基和本征正交分解方法,分析了粗糙单元尾迹流场中存在的主要流动结构。与此同时,定量分析三种粗糙单元引起的气动力与热的影响规律,最终确认斜坡形粗糙单元可作为较好的转捩触发装置。最后,针对斜坡形粗糙单元进行了参数化研究,包括雷诺数、斜坡角度、间距等,综合对比了它们对转捩效果及气动力、热的影响规律:雷诺数降低,粗糙单元触发转捩效果变差;斜坡角度增大,粗糙单元扰动增大,转捩效果增强,但气动热和气动力有较大增长,确认中等角度的斜坡可作为较好的转捩触发装置;随着粗糙单元间距降低,下游转捩提前,尾迹流动沿展向分布更均匀,故无间隙状态下转捩效果最好。