【儀表網 研發快訊】激波/邊界層干擾廣泛存在于高超聲速飛行器及其發動機中，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/熱流等現象。壁面摩阻是飛行器設計領域重點關注的氣動問題，對氣動性能有著重大影響。中國科學院力學研究所空天飛行器流動數值模擬課題組近期采用直接數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，推導得到了考慮展向異性的壁面摩阻分解方法，揭示了干擾區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。
研究發現，相比于上游湍流邊界層，干擾區壁面摩阻大幅度增加，且呈現顯著展向異性，見圖1。壁面摩阻的展向譜特性結果顯示，上游平板邊界層區域，能量峰值對應的展向波長為0.2倍的邊界層厚度，對應100個粘性尺度；隨著流動進入干擾區，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，而干擾區內峰值尺度與Görtler渦相關。
圖1 干擾區附近，時均壁面剪應力分布
圖 2干擾區附近壁面剪切應力脈動信號的加權功率譜密度分布云圖
該研究以三維雷諾平均N-S方程為出發點，推導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，Cf,T與湍動能生成有關，Cf,C與法向對流有關，Cf,x和Cf,z分別與流向和展向不均勻性有關。在上游邊界層，Cf,z占比為1.3%；在干擾區，由于Görtler渦的存在，Cf,z占比最高超過20%，表明在研究干擾區摩阻分解時，考慮展向異性是必要的。
圖 3對比了壁面摩擦阻力常規計算方法和分解方法得到的結果，兩種方法得到的結果最大誤差小于2%，驗證了分解方法的正確性。
圖3 壁面摩阻系數流向分布。黑線和紅線分別為常規方法和分解方法計算結果
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，法向對流項表現為負貢獻，這是由于邊界層的發展隨著帶來正的法向速度。在干擾區，多個分量值超過總摩阻Cf，其中粘性項、湍流項和法向對流向產生正貢獻。干擾區密度和雷諾應力增強，使得湍流項增加；密度和下洗強度增加，致使法向對流項增加；密度加權下洗強度大于時間平均下洗強度，而Cf,C與密度加權速度下洗速度有關，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計劃(2019YFA0405300)，國家自然科學基金(12232018, 12072349, 12202457),中國科學院戰略性先導科技專項(XDB0500301)，和國家博士后基金(2022M723232)項目的支持。
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