【摘 要】
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边界层转捩是高超声速飞行器气动力/热设计的关键之一,近年来高超声速边界层转捩的机理研究成为了航空航天领域的热门研究方向,而来流总温、壁面温度和头部钝度是影响边界层转捩的关键因素,研究和探讨这三个关键因素对高超声速边界层转捩的影响原理和内在规律,深入探索边界层转捩位置和关键因素的数学关系,对深刻认识高超声速转捩的机理至关重要。高超声速边界层发展过程中,自由来流中的扰动进入边界层并增长达到一定幅值后,
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边界层转捩是高超声速飞行器气动力/热设计的关键之一,近年来高超声速边界层转捩的机理研究成为了航空航天领域的热门研究方向,而来流总温、壁面温度和头部钝度是影响边界层转捩的关键因素,研究和探讨这三个关键因素对高超声速边界层转捩的影响原理和内在规律,深入探索边界层转捩位置和关键因素的数学关系,对深刻认识高超声速转捩的机理至关重要。高超声速边界层发展过程中,自由来流中的扰动进入边界层并增长达到一定幅值后,边界层流动失稳转变为湍流。根据扰动在边界层发展的线性增长阶段的特性,通过线性稳定性分析方法探究在三个重要因素不同的情况下转捩过程中各模态不稳定波增长率和频率的变化,分别研究了来流总温、壁面温度、头部钝度对高超声速边界层扰动发展的作用,结合e-N方法,求解不同频率的不稳定波的N值,探索各个关键参数与边界层转捩位置的统计关系并建立适用的数学模型。通过马赫6风洞实验研究了不同钝度半径尖锥的不稳定波频率和幅值变化,验证不稳定波在高超声速尖锥边界层内的发展规律和不同钝度对边界层稳定性的影响。研究结果表明,高超声速边界层中第一模态不稳定波和第二模态不稳定波往往同时存在,但后者通常占主导地位。对于马赫数为6、单位雷诺数为1×10~7m-1的来流条件,来流总温和壁面温度的升高、钝度的增加(0.05~5mm)都能使高超声速边界层流动更稳定,但由于不同因素对背景流和不稳定模态的影响存在差异,其中包含的演化机理也不尽相同。根据各因素的影响研究,探究边界层转捩机理和转捩位置的预测,提炼边界层转捩位置和关键因素之间的数学模型,为工程上高超声速边界层转捩的预测提供数值的支撑。
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