热化学非平衡高超声速平板边界层线性稳定性分析

发布时间：2021-08-09 20:07

　　高超声速边界层流动转捩是近期空气动力学研究的热点问题。对于环境扰动较小的自然转捩过程,稳定性分析已被证明是研究扰动演化的重要手段。另一方面,高超声速边界层内的温度会随着马赫数的升高而快速上升,极高的温度会引起所谓的高温真实气体效应,使得量热完全气体假设失效,从而对边界层稳定性和转捩产生影响。本文针对高温热化学非平衡气体,利用空气5组分模型开展了平板边界层的线性稳定性分析,重点研究了热化学过程对模态稳定性的影响,并探究了边界层离散谱模态的演化和同步过程。研究表明,对于由第二模态主导的高超声速二维边界层:（1）扰动相比基本流更趋向于热化学冻结态;（2）扰动方程中新出现的非平衡源项的扰动项对稳定性影响很小,非平衡过程主要是通过改变基本流剖面来间接影响稳定性;（3）声速是影响第二及更高模态的重要参数,热化学平衡态假设引起的声速计算式的变化能够解释边界层温度和厚度降低时第二模态频率反而降低的非常规趋势。 

【文章来源】：空气动力学学报. 2020,38(02)北大核心CSCD

【文章页数】：10 页

【部分图文】：

不同来流扰动幅值下转捩路径示意图[1]

图2 标准大气压下空气发生振动能激发和化学反应的温度范围[4]综合来看，热化学非平衡效应对高超声速边界层的稳定性和转捩过程有重要影响，但相关研究依然是有限和不充分的。本文旨在利用线性稳定性框架，分析热化学非平衡平板边界层离散谱模态的演化特性，并尝试探究不同热化学过程如何对不稳定模态的增长率和频率产生影响。

再验证稳定性计算结果。首先选取Bitter[17]的热非平衡、化学冻结的极冷壁平板算例，来流条件为马赫数4.5、静温1500K，静压10kPa，壁温为300K。比较流向位置Reδ=2000处的模态演化过程如图5所示。由于冷壁效果，此时F模态成为了不稳定模态，且在ω>0.48后成为超声速模态，引起了增长率曲线的拐折。图5 马赫数4.5热非平衡极冷壁平板的增长率和相速度验证

【参考文献】：
期刊论文
[1]高超声速边界层转捩研究现状与趋势[J]. 杨武兵,沈清,朱德华,禹旻,刘智勇.  空气动力学学报. 2018(02)
[2]高超声速边界层转捩研究现状与发展趋势[J]. 陈坚强,涂国华,张毅锋,徐国亮,袁先旭,陈诚.  空气动力学学报. 2017(03)
[3]高温空气传输特性对边界层稳定性及转捩预测的影响[J]. 万兵兵,韩宇峰,樊宇,罗纪生.  航空动力学报. 2017(01)
[4]平衡空气模型的流动稳定性及转捩预测[J]. 樊宇,万兵兵,韩宇峰,罗纪生.  航空动力学报. 2016(07)



本文编号：3332720