粗糙元对高超声速边界层转捩影响的研究进展

董 昊, 刘是成, 程克明

(南京航空航天大学 航空宇航学院, 南京 210016)

0 引 言

一直以来，边界层转捩就是湍流研究领域的热点问题，由于其复杂性、现有方法的局限性以及风洞试验存在较大难度，对边界层转捩很多问题的认识或不清楚，或有争论，甚至还存在许多未知的问题[1]。近年来，随着高超声速飞行器的发展，边界层转捩问题更加突出。高超声速飞行器复杂外形产生的复杂流动会导致特殊的边界层转捩现象，形成多种转捩机制并存、湍流区与层流区不断变化的复杂形式[2]。在实际工程中，边界层转捩对高超声速飞行器气动设计具有重要影响。具体来说，边界层转捩将影响飞行器气动加热、表面摩擦阻力、进气道流量、发动机燃烧效率和工作效率等一系列问题。对于高超声速飞行器，粗糙元诱导转捩是重要的转捩形式之一。通过研究粗糙元不同参数对高超声速边界层转捩的影响，探求粗糙元诱发转捩的物理机理以及针对工程应用的相关预测准则，具有重要的研究意义。

粗糙元对边界层转捩影响的研究从20世纪50年代就已开始，并取得了一系列研究成果，尤其是Schneider等[3-4]开展了大量研究工作，并在其综述文章中[3]强调了研究的3个主要方向：粗糙元促成转捩的机理、粗糙元引起转捩的最小尺寸、粗糙元不能引起转捩以及不影响转捩位置的最大尺寸；总结了粗糙元影响转捩的3种模式：(1)粗糙元会在尾迹区产生流向涡结构和不稳定剪切层。……