转捩问题是飞行器设计中重点关注的对象之一，高超声速边界层何时发生转捩

对飞行器的热防护和气动性能具有较大影响。通常情况下，湍流边界层相比层流

会导致壁面摩擦力和热流大幅增加，会直接影响热防护和气动性能，不利于飞行

器的结构安全和性能发挥。出于降低壁面热流和阻力的考虑，工程上通常选择钝

头体外形，并通过优化钝头半径和锥体形状来延缓转捩，降低壁面热流和阻力。

因此，围绕钝锥体外形进行转捩问题的研究对于提升飞行器性能和热防护设计具

有重要意义。

激波边界层干扰问题同样是高超声速飞行器设计中的关键问题，具有重要的工程

应用价值。目前，低焓条件下的激波边界层干扰已经得到了广泛研究，而针对高

焓条件下的相关研究仍然相对有限。在高焓环境下，干扰区内流动本身极为复

杂，涉及激波的低频振荡、边界层的大尺度分离以及湍流边界层的不稳定性等多

种现象。当进一步引入化学反应时，化学反应过程又会反过来影响干扰区内的流

动结构、热力学特性和不稳定性，显著改变整体流动行为。因此，深入研究高焓

条件下的激波边界层干扰问题，不仅对于揭示复杂流动与化学反应耦合机制具有

研究意义，也对高超声速飞行器气动热防护设计和工程应用具有指导价值。

本文采用直接数值模拟方法，针对来流马赫数 $Ma = 6.0$ 的高超声速钝锥体外

形，开展了边界层转捩问题的研究，重点分析了不同锥头钝度对流动转捩行为的

影响。通过频谱分析等手段，对比了小钝度和大钝度条件下钝锥体边界层的转捩

行为。此外，本文还针对来流马赫数 $Ma = 10.0$的高焓条件下的平板激波/湍

流边界层干扰问题进行了直接数值模拟研究，特别关注化学反应对干扰区流动的

影响,研究了化学反应在干扰区内的作用机制，总结了化学反应对激波/湍流边界

层干扰流动的影响规律。  

本文的主要研究内容及取得的成果如下：

(1) 基于高性能图形处理单元（Graphics Processing Unit,GPU）的并行计算平

台，采用直接数值模拟方法，研究了不同锥头半径条件下的高超声速钝锥体边界

层转捩过程。借助GPU强大的计算能力，当前数值模拟的最大网格量达到300亿量

级。在自由来流马赫数$Ma = 6.0$ 的条件下，分布针对锥头半径分别为1

mm、10 mm、20 mm及40 mm的四种典型工况，通过施加具有宽频谱和多波数分布

的随机壁面扰动，模拟实际壁面粗糙度引发的自由转捩。数值模拟结果表明，锥

头半径增大会导致边界层转捩位置后移，且转捩区间逐渐延长；对于锥头半径为

1 mm 的尖锥工况，转捩位置与熵吞现象几乎同时出现，导致转捩区上游的不稳

定扰动波的幅值显著增强。而在较大锥头半径工况下，转捩位置则早于熵吞点。

通过对边界层内扰动波和熵层内扰动波进行频谱分析发现，在当前考虑的四种锥

头半径下，所有工况在转捩区内均存在两个典型特征频率，即一个高频模态与一

个极低频的模态；其中高频模态的特征频率随着锥头半径的增大而降低，表现出

较强的锥头半径依赖性，而极低频模态的特征频率无明显变化。此外，来自于熵

层内的扰动波会影响边界层内高频模态的特征频率，使其特征频率升高，表明熵

层在钝锥边界层内不稳定扰动波的放大过程中发挥作用。

(2) 使用直接数值模拟方法，研究了高焓条件下的入射激波与湍流边界层干扰过

程，重点关注了化学反应对该过程的影响。在自由来流马赫数$Ma = 10.0$条件

下，采用空气的五组分十七基元反应模型模拟流动中由于高温诱发的化学反应。

在计算域的上边界引入一道入射角为17°的斜激波打入湍流边界层，诱发了流动

分离与再附现象，模拟了激波/湍流边界层干扰过程。通过对比含化学反应与不

含化学反应条件下的数值结果，发现由化学反应带来的吸热效应降低了壁面附近

的平均温度。在激波/湍流边界层相互干扰区内，含化学反应工况的分离泡的尺

寸明显更小，且分离泡的低频振荡频率更高。这一现象可归因于壁面附近的温度

降低引发的近壁面附近流体密度和速度的增高，从而增强了流体动量，提高了边

界层抵抗冲击逆压力梯度的能力。此外，化学反应产物的质量分数和Damköhler

数沿流向的分布表明，激波边界层干扰区附近存在明显的化学非平衡效应，且化

学反应非平衡态在整个高焓湍流边界层内都存在。尽管湍流运动能够在一定程度

上促进化学反应向平衡态演化，但在当前的高焓条件下，化学反应并未达到化学

反应平衡态。