高超声速边界层基频二次失稳条纹结构的稳定性

李玲玉，刘建新

(天津大学 机械工程学院 高速空气动力学研究室，天津 300072)

0 引言

边界层从层流向湍流的转变过程被称为边界层的转捩。转捩问题实际是湍流的起源问题，是流体力学长期关注但尚未解决的重要研究领域之一[1]。研究清楚转捩过程的机理，对于提高转捩预测的准确性和理解湍流的产生至关重要。一般认为边界层的转捩是由流动不稳定性引起的，分析流动的失稳特性和研究扰动演化的过程，是流动稳定性分析的主要工作[2]，也是理论以及工程上所关心的重要问题之一。

在高超声速边界层中，由于流动的压缩性，边界层局部会产生相对超声速区，由此产生的失稳模态被称作第二模态，它在较高来流马赫数时对流动失稳起着至关重要的作用。对于马赫数较高的情况（如Ma>4），二维的第二模态的线性增长率最大，最不稳定，可能最先增长起来[3]。但是只有二维流动是不能导致转捩的，因为湍流是三维流动的，这就说明中间过程会有三维流动的产生。Herbert的二次失稳理论是在这个过程中研究三维扰动产生原因的理论之一[3]。二次失稳的类型主要包括基频模态失稳和亚谐模态失稳[4-7]，其中前者通常被称作为K型失稳而后者则被称作为H型失稳，表现为在转捩中不同的流场分布特征。早期的不可压缩边界层的相关研究通常认为K型失稳发生在较高的来流湍流度的情况下。

直到20世纪90年代之后，人们才将二次失稳的研究对象从低速问题转移到了高超声速问题。在……