【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】激波/邊界層干擾廣泛存在于高超聲速飛行器及其發(fā)動機中，給飛行安全帶來極大的威脅和隱患，常伴隨著流動分離、激波振蕩、壁面高摩阻/熱流等現(xiàn)象。壁面摩阻是飛行器設(shè)計領(lǐng)域重點關(guān)注的氣動問題，對氣動性能有著重大影響。中國科學(xué)院力學(xué)研究所空天飛行器流動數(shù)值模擬課題組近期采用直接數(shù)值模擬方法研究了高超聲速激波/湍流邊界層干擾流動中的壁面摩阻特性，推導(dǎo)得到了考慮展向異性的壁面摩阻分解方法，揭示了干擾區(qū)壁面摩阻增加的物理機制。該工作以“Wall skin friction analysis in a hypersonic turbulent boundary layer over a compression ramp”為題發(fā)表在Journal of Fluid Mechanics期刊上，作者為郭同彪，張吉，朱艷華和李新亮。
研究發(fā)現(xiàn)，相比于上游湍流邊界層，干擾區(qū)壁面摩阻大幅度增加，且呈現(xiàn)顯著展向異性，見圖1。壁面摩阻的展向譜特性結(jié)果顯示，上游平板邊界層區(qū)域，能量峰值對應(yīng)的展向波長為0.2倍的邊界層厚度，對應(yīng)100個粘性尺度；隨著流動進入干擾區(qū)，含能波長大幅增加。上游邊界層的峰值尺度與壁湍流近壁流向條帶一致，而干擾區(qū)內(nèi)峰值尺度與Görtler渦相關(guān)。
圖1 干擾區(qū)附近，時均壁面剪應(yīng)力分布
圖 2干擾區(qū)附近壁面剪切應(yīng)力脈動信號的加權(quán)功率譜密度分布云圖
該研究以三維雷諾平均N-S方程為出發(fā)點，推導(dǎo)得到了基于能量守恒的壁面摩阻Cf分解方法，如下所示，
其中，Cf,v與粘性耗散有關(guān)，Cf,T與湍動能生成有關(guān)，Cf,C與法向?qū)α饔嘘P(guān)，Cf,x和Cf,z分別與流向和展向不均勻性有關(guān)。在上游邊界層，Cf,z占比為1.3%；在干擾區(qū)，由于Görtler渦的存在，Cf,z占比最高超過20%，表明在研究干擾區(qū)摩阻分解時，考慮展向異性是必要的。
圖 3對比了壁面摩擦阻力常規(guī)計算方法和分解方法得到的結(jié)果，兩種方法得到的結(jié)果最大誤差小于2%，驗證了分解方法的正確性。
圖3 壁面摩阻系數(shù)流向分布。黑線和紅線分別為常規(guī)方法和分解方法計算結(jié)果
在上游邊界層，粘性耗散和湍動能生成為摩阻的主要貢獻項，法向?qū)α黜棻憩F(xiàn)為負(fù)貢獻，這是由于邊界層的發(fā)展隨著帶來正的法向速度。在干擾區(qū)，多個分量值超過總摩阻Cf，其中粘性項、湍流項和法向?qū)α飨虍a(chǎn)生正貢獻。干擾區(qū)密度和雷諾應(yīng)力增強，使得湍流項增加；密度和下洗強度增加，致使法向?qū)α黜椩黾?；密度加?quán)下洗強度大于時間平均下洗強度，而Cf,C與密度加權(quán)速度下洗速度有關(guān)，表明壓縮性使得下洗引起的Cf,C進一步增加。
圖 4 1壁面摩阻系數(shù)及其分量沿流向分布。左圖：拐角上游摩阻及其分量；右圖：拐角下游摩阻及其分量
該研究得到了國家重點研發(fā)計劃(2019YFA0405300)，國家自然科學(xué)基金(12232018, 12072349, 12202457),中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(XDB0500301)，和國家博士后基金(2022M723232)項目的支持。
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