超声速平板边界层转捩过程中拟序结构的时间演化 | 航空学报CJA

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Lin HE（何霖）, Xiaoge LU（陆小革）, Junhao HAN, Zhengbang WU, Shihe YI（易仕和）. Time-resolved visualization of coherent structures during supersonic boundary layer transition[J]. Chinese Journal of Aeronautics, 2023, 36(4): 190-200.

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一

研究背景

在层流-湍流转捩过程中，及时地可视化拟序结构的有组织运动是解开复杂动力学过程的有力工具之一。特别是时间分辨可视化方法尤为重要。因为这些时间分辨方法将提供更多关于拟序结构在转捩过程中的有组织运动的有用信息，有助于进一步理解转捩机制。例如，到目前为止，发夹涡是如何在下游进一步发展的，超声速板边界层中流动破裂的机制是什么，以及如何产生新的结构都没有得到很好的解释。因此，可视化转捩过程中结构的演变有助于理解转捩结构的起源、形成和影响发展的因素，并有望为控制边界层转捩提供方法。

相对不可压边界层研究，关于可压缩边界层中结构演变的实验研究很少，特别是在超声速或高超声速边界层中。在超声速流动中，这些过程通常发生在微秒级的时间尺度上，在这样的时间尺度上，很难通过实验获得多幅高分辨率的流动可视化图像。超声速或高超声速流动演变的实验研究提出了重大挑战。因为要跟踪高速流的结构演变，需要以快速（kHz甚至MHz）的重复率采集图像。此外，需要非常短的曝光时间来解析瞬时流动特征。因此，在保持超声速流动的有意义的空间分辨率的同时，满足高速成像的时间分辨率要求具有挑战性。

二

研究亮点

采用一种由多个脉冲激光器和多个照相机组合的方式，实现在非常短的时间间隔以高分辨率记录Ma=3超声速平板边界层在转捩过程中拟序结构的快速变化过程，通过分析拟序结构随时间的变化以促进对边界层转捩和破碎成湍流过程的进一步理解。如图1和图2所示。

图1 实验系统组成示意图

图2 八脉冲激光器系统

图3为欧拉参考系下拟序结构的八幅时间序列图像，每幅图像之间的时间间隔为5 ms。视场范围x = 200~290 mm，流动是从左到右。可以观察到，在35 ms的时间间隔内，流动结构主要向下游快速移动，形状和大小发生变化。然而，结构变化的速度远远小于向下游移动的速度。

图3 欧拉参考系下边界层拟序结构的演化

这8幅图像中描绘的最引人注目的动态特征是新的拟序结构的产生和现有拟序结构的演变。这里，选择两个典型的结构作为例子。第1个是用蓝色虚线中的单个涡旋结构(标记为涡A)，它反映了一个新的发夹涡的产生过程。第2个是用红色虚线选择的一个现有的大尺度涡结构(标记为涡B)，它反映了现有结构的演化过程。随着时间的推移，上游波状结构产生涡旋A，涡旋A随高度、长度和倾角的增加而卷起，最终形成典型的发夹涡。从时序图像中可以识别出结构沿着流动方向远离壁的拉伸变形，例如涡A正下游的结构。在图3(a)中，涡B已经存在，也可以视为发夹涡，然后涡B随着时间在尺寸和高度上变大。在涡旋B的边缘斜切层上可以发现新的更小的结构产生，并沿着斜切层移动，而不是上游观察到的结构拉伸变形。在涡B内部可以看到更复杂的结构，或者可以将其视为由多个小涡组成的涡包，而不是单个涡。

涡B的演变不同于涡A的演变，因为涡A可以作为一个单独的涡来处理，但涡B内部可能存在多个涡，而且涡A处于边界层转捩的前期，而涡B处于转捩的后期。然而，由于湍流结构的三维特性，仅从流向平面图像很难准确量化湍流结构的运动速度和变化率。仍然可以定性地分析边界层转捩过程中不同区域流动结构的演变是不同的。在上游边界层转捩的早期区域，发卡涡是主要的流动演化特征，并伴有明显的向上拉伸趋势。在边界层转捩的后期，多种结构之间的相互作用而不是单一的发夹涡模式主导了演化过程。

选取了一个典型的例子来描述平板边界层转捩中除旁路转捩之外的新结构生成过程。如图4所示。可以观察到一个新发卡涡生成的全过程，标记为涡E，视场从x = 230 mm延伸到x = 290 mm，每幅图像之间的时间间隔为5 ms，流动从左到右。从图4(a)到图4(d)，只观察到波浪形结构，在图4(d)现有下游波浪形结构的上部可以观察到一个小的凸起结构。然而，在图4(e)中，这种波状结构已经迅速演变成发夹涡(涡F)。随后，漩涡E被连续卷起，其长度和高度同时增加。涡F的头部沿下游方向有明显的斜向上拉伸趋势。在图4(h)中，3个结构沿着流动方向并排生成，并保持着服从理想发夹模型的明显特征，彼此之间没有明显的相互作用。

图4 转捩早期阶段新结构的生成

有2点值得注意：

第一点是涡旋结构的演化和发展速度。通过图中的8幅时序图像，可以发现新结构的产生可以分为3个阶段。在第一阶段，结构以非常慢的速度演化，如图4(a)-图4(d)所示。但在第二阶段，结构以非常高的速度演化，并迅速形成发夹涡，如图4(d)-图4(e)所示。而在第三阶段，进化速度有所下降，但仍高于第一阶段，如图4(e)-图4(h)所示。可以把第一阶段的类波结构看作准稳定状态，因此演化速率较低。第二阶段可以看作是从波状结构向发夹结构的快速转捩，表现为原有的平衡被打破，发夹结构迅速形成，流动再次进入新的准稳定状态。第三阶段的演化速度比第一阶段快，表明发夹结构的演化比波状结构快。

第二点是同一时刻下不同涡旋结构的产生过程存在差异。如图4(d)至图4(h)所示，在20 ms的时间间隔内形成了一个新的发夹涡(涡F)。然而，涡F上游的涡E已经在图4(a)中形成。此外，涡E在35 ms内(图4 (a)~图4(h))的形状变化不如涡E在20 ms内(图4(d)至图4(h))明显，这意味着上游涡E的演变速度明显慢于下游涡F。并且越靠近下游方向，发夹头结构的旋转特性越明显。相应地，越靠近上游方向，发卡头沿流向拉伸的效果越明显。

图5中提供了一个大尺度结构破碎成多个小尺度结构的过程的例子，图5的拍摄范围与图4相同，每幅图像之间有5 ms的时间间隔，流动从左到右。在图5（a）和图5（b）中，一个单独的发夹涡（涡G）已经存在，并在5 ms的间隔内像图4中的涡一样发展。然而，在图5(c)中的发夹头区域在5 ms的时间间隔内产生了两个头部而不是单个头部，并且在图5(d)中在相同的时间间隔内产生了更多的小头部。从图5（d）到图5（e）可以看出，在5 ms的间隔内，这些结构发生了巨大的变化。然后，从图5(e)到图5(h)可以看出，进化速度再次减慢。

图5 边界层转捩中大尺寸结破碎过程

与随时间发展的单个发夹结构不同，可以初步判断是多个头部结构的出现导致了涡G的破裂。当多个结构出现时，由于它们的相互作用，结构的破坏加速。不同于图3所示的涡B中相互作用，涡B中由于大尺度涡起主导作用，而其他小尺度涡对这个大尺度结构的影响相对较小，因此可以观察到相对规律的演变过程。但是在图5(c)中，新生成的多个结构具有相似的尺度，所以它们之间的相互作用是相似的，没有任何结构可以主导。结果，在随机因素的影响下，每个结构的原始发展被破坏，新的平衡结构很快再次形成。而这种新的平衡结构发展成稳态，类似于湍流边界层中包含多个小尺度结构的大尺度发夹涡包，在这里无法维持单个的发夹涡结构。

三

研究成果

1) 在边界层转捩过程中，不同区域拟序结构的演化不同。在上游区域，主要是单个发卡涡的产生和发展，发卡涡之间没有明显的相互作用。在下游区域，转捩过程不是由单个发夹涡模型主导，而是由现有大尺度涡的诱导产生新的小尺度结构，然后相互作用，形成更复杂的大尺度结构。与单一结构的演化相比，多涡之间的相互作用会加速演化，使得演化过程更加复杂。

2) 发夹涡模型能很好地解释除旁路转捩外新涡的形成 。但瞬时结构的演变也与局部流场条件有关，如边界层厚度和速度梯度。而新结构的形成大致可以分为3个阶段。在第一阶段，结构以非常慢的速度演化，但在第二阶段，结构以非常高的速度演化并迅速形成发夹涡。第三阶段，进化速度下降，但仍高于第一阶段。第一阶段和第三阶段可以分别视为一种准稳态，第二阶段可以视为从第一阶段到第三阶段的突变过程。

3) 具有相似尺度的多个涡旋之间的相互作用将是破裂的原因之一。因为没有一个结构可以支配其他结构，原来的结构无法维持，然后分解成复杂的多尺度结构，再次达到新的平衡。

四

团队介绍

何霖（第一作者） ，国防科技大学空天科学学院副教授，主要从事高速飞行器气动试验技术及应用研究，获国家技术发明二等奖1项，某科技进步一等奖1项，获评优秀博士学位论文，入选青年科技英才，发表论文50余篇，授权专利25项。

陆小革，国防科技大学空天科学学院助理研究员，主要从事高速飞行器气动试验技术及应用研究，获某科技进步一等奖1项。

易仕和，国防科技大学教授，主要从事高速飞行器气动试验技术及应用研究，湖南省力学学会理事长，湖南省流体力学学会主任委员，获国家技术发明二等奖1项，某科技进步一等奖3项，二等奖2项。授权发明专利35项，发表论文200余篇。

文章来源：航空学报

供稿：何霖

编辑：李明敏，许雅婷

审核：蔡斐，范真真