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高超声速边界层中表面烧蚀对 Mack 失稳模态演化的影响

文献类型:学位论文

作者袁庆江
答辩日期2025-05-15
文献子类硕士
授予单位中国科学院大学
授予地点北京
导师董明
关键词高超声速边界层 表面烧蚀 Mack 模态 化学非平衡效应 渐近理论
学位专业流体力学
其他题名Impact of surface ablation on the evolution of Mack instability modes in hypersonic boundary layers
英文摘要
高超声速临近空间飞行器在大气层中做长时间巡航时,表面往往面临严峻的气动加热,进而出现表面烧蚀或微烧蚀的现象。这一现象对飞行器的气动力与气动热(特别是边界层转捩)有重要影响。由于转捩过程中表面摩阻和热流往往突增数倍,对转捩的有效预测是飞行器气动性能设计的关键。然而,目前尚无有效的理论模型来刻画烧蚀效应对转捩的影响。一般,表面烧蚀往往表现为凹凸不平的几何形貌、壁面不均匀热斑和质量引射等效应,同时,高焓气体所带来的热、化学非平衡效应也对流动有重要影响。本文通过渐近分析与数值计算相结合的方法,围绕上述因素进行理论建模,旨在从原理上揭示烧蚀形貌对转捩的影响机理。
1)建立了刻画烧蚀效应对平均流影响的高焓三层结构理论。基于考虑化学非平衡(Chemical Non-equilibrium,简称 CNE)效应的可压缩 Navier-Stokes 方程组,开展了高雷诺数渐近分析研究,确定了法向三个渐近分层及其主导控制方程,并通过求解底层的非线性边界层方程定量刻画由烧蚀形貌、不均匀热斑以及质量引射所引起的位移函数。
2)通过多尺度分析,建立了边界层中的失稳模态(Mack 模态)与平均流修正相互作用的高焓局部散射理论。通过引入幅值放大因子,定量刻画烧蚀效应对失稳模态的作用效果。该理论表明,烧蚀效应对 Mack 模态演化的影响包含两个因素,分别是由烧蚀引起的凹坑附近的局部散射效应和由质量与能量注入引起的下游 Mack 模态增长率持续修正效应。
3)高焓局部散射理论的数值结果表明,当 Mack 模态的频率低于某一临界阈值时,烧蚀效应会促进 Mack 模态的增长;而对于频率较高的 Mack 模态,烧蚀则表现为抑制效应。该临界频率与 Mack 第二模态频段内的最不稳定频率接近。
语种中文
源URL[http://dspace.imech.ac.cn/handle/311007/101240]  
专题力学研究所_非线性力学国家重点实验室
推荐引用方式
GB/T 7714
袁庆江. 高超声速边界层中表面烧蚀对 Mack 失稳模态演化的影响[D]. 北京. 中国科学院大学. 2025.

入库方式: OAI收割

来源:力学研究所

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