粗糙元诱导的有攻角锥流向涡非对称失稳特性研究

【作者】 钟钰洵； 李晓虎； 涂国华； 黄章峰； 万兵兵；

【机构】 空天飞行空气动力科学与技术全国重点实验室； 天津大学机械工程学院高速空气动力学研究室；

【摘要】 高速飞行器常因加工缺陷和壁面高温烧蚀等原因,在壁面存在着随机分布的粗糙元,诱发飞行器非对称转捩,显著影响飞行器气动力。本报告基于直接数值模拟和二维全局稳定性分析,研究了孤立粗糙元对有攻角锥流向涡非对称失稳特性的影响。其中,来流马赫数Ma=6,来流温度T_∞=79K,单位雷诺数R_e=1.0×107/m,壁温T_w=294K。模型为球头半径1mm,半锥角7°,攻角6°的圆锥,粗糙元几何中心线与圆锥背风区流向涡结构的中心线夹角φ为9°(图1(a))。数值模拟结果表明,粗糙元能够在流向涡中产生非对称的诱生涡,影响流向涡中内卷涡和外卷涡的对称性,使流向涡结构沿流向非对称发展(图1(b)),而且粗糙元高度越高流向涡呈现的非对称性越显著。二维全局稳定性分析结果表明,流向涡对称性的改变没有影响边界层中主导模态的种类,但模态特征函数不再沿圆锥背风区中心线对称分布(图1(c)),且模态失稳频率越高特征函数对称性越差。这显著改变了流向涡中原有对称与反对称模态特征函数间差距,使得对称与反对称模态在空间演化过程中能够实现相互转换,突破对称性对模态转换的限制。此外,基于eN方法的转捩预测结果表明,非对称分布粗糙元仍能抑制流向涡边界层不稳定性,积分得到的N值显著减小(图1(d))。更多还原