CJA亮點(diǎn)文章

Lin HE（何霖）, Xiaoge LU（陸小革）, 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

在層流-湍流轉(zhuǎn)捩過(guò)程中，及時(shí)地可視化擬序結(jié)構(gòu)的有組織運(yùn)動(dòng)是解開(kāi)復(fù)雜動(dòng)力學(xué)過(guò)程的有力工具之一。特別是時(shí)間分辨可視化方法尤為重要。因?yàn)檫@些時(shí)間分辨方法將提供更多關(guān)于擬序結(jié)構(gòu)在轉(zhuǎn)捩過(guò)程中的有組織運(yùn)動(dòng)的有用信息，有助于進(jìn)一步理解轉(zhuǎn)捩機(jī)制。例如，到目前為止，發(fā)夾渦是如何在下游進(jìn)一步發(fā)展的，超聲速板邊界層中流動(dòng)破裂的機(jī)制是什么，以及如何產(chǎn)生新的結(jié)構(gòu)都沒(méi)有得到很好的解釋。因此，可視化轉(zhuǎn)捩過(guò)程中結(jié)構(gòu)的演變有助于理解轉(zhuǎn)捩結(jié)構(gòu)的起源、形成和影響發(fā)展的因素，并有望為控制邊界層轉(zhuǎn)捩提供方法。

相對(duì)不可壓邊界層研究，關(guān)于可壓縮邊界層中結(jié)構(gòu)演變的實(shí)驗(yàn)研究很少，特別是在超聲速或高超聲速邊界層中。在超聲速流動(dòng)中，這些過(guò)程通常發(fā)生在微秒級(jí)的時(shí)間尺度上，在這樣的時(shí)間尺度上，很難通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得多幅高分辨率的流動(dòng)可視化圖像。超聲速或高超聲速流動(dòng)演變的實(shí)驗(yàn)研究提出了重大挑戰(zhàn)。因?yàn)橐櫢咚倭鞯慕Y(jié)構(gòu)演變，需要以快速（kHz甚至MHz）的重復(fù)率采集圖像。此外，需要非常短的曝光時(shí)間來(lái)解析瞬時(shí)流動(dòng)特征。因此，在保持超聲速流動(dòng)的有意義的空間分辨率的同時(shí)，滿(mǎn)足高速成像的時(shí)間分辨率要求具有挑戰(zhàn)性。

二

研究亮點(diǎn)

采用一種由多個(gè)脈沖激光器和多個(gè)照相機(jī)組合的方式，實(shí)現(xiàn)在非常短的時(shí)間間隔以高分辨率記錄Ma=3超聲速平板邊界層在轉(zhuǎn)捩過(guò)程中擬序結(jié)構(gòu)的快速變化過(guò)程，通過(guò)分析擬序結(jié)構(gòu)隨時(shí)間的變化以促進(jìn)對(duì)邊界層轉(zhuǎn)捩和破碎成湍流過(guò)程的進(jìn)一步理解。如圖1和圖2所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成示意圖

圖2 八脈沖激光器系統(tǒng)

圖3為歐拉參考系下擬序結(jié)構(gòu)的八幅時(shí)間序列圖像，每幅圖像之間的時(shí)間間隔為5 ms。視場(chǎng)范圍x = 200~290 mm，流動(dòng)是從左到右。可以觀察到，在35 ms的時(shí)間間隔內(nèi)，流動(dòng)結(jié)構(gòu)主要向下游快速移動(dòng)，形狀和大小發(fā)生變化。然而，結(jié)構(gòu)變化的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于向下游移動(dòng)的速度。

圖3 歐拉參考系下邊界層擬序結(jié)構(gòu)的演化

這8幅圖像中描繪的最引人注目的動(dòng)態(tài)特征是新的擬序結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生和現(xiàn)有擬序結(jié)構(gòu)的演變。這里，選擇兩個(gè)典型的結(jié)構(gòu)作為例子。第1個(gè)是用藍(lán)色虛線(xiàn)中的單個(gè)渦旋結(jié)構(gòu)(標(biāo)記為渦A)，它反映了一個(gè)新的發(fā)夾渦的產(chǎn)生過(guò)程。第2個(gè)是用紅色虛線(xiàn)選擇的一個(gè)現(xiàn)有的大尺度渦結(jié)構(gòu)(標(biāo)記為渦B)，它反映了現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的演化過(guò)程。隨著時(shí)間的推移，上游波狀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生渦旋A，渦旋A隨高度、長(zhǎng)度和傾角的增加而卷起，最終形成典型的發(fā)夾渦。從時(shí)序圖像中可以識(shí)別出結(jié)構(gòu)沿著流動(dòng)方向遠(yuǎn)離壁的拉伸變形，例如渦A正下游的結(jié)構(gòu)。在圖3(a)中，渦B已經(jīng)存在，也可以視為發(fā)夾渦，然后渦B隨著時(shí)間在尺寸和高度上變大。在渦旋B的邊緣斜切層上可以發(fā)現(xiàn)新的更小的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生，并沿著斜切層移動(dòng)，而不是上游觀察到的結(jié)構(gòu)拉伸變形。在渦B內(nèi)部可以看到更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，或者可以將其視為由多個(gè)小渦組成的渦包，而不是單個(gè)渦。

渦B的演變不同于渦A的演變，因?yàn)闇uA可以作為一個(gè)單獨(dú)的渦來(lái)處理，但渦B內(nèi)部可能存在多個(gè)渦，而且渦A處于邊界層轉(zhuǎn)捩的前期，而渦B處于轉(zhuǎn)捩的后期。然而，由于湍流結(jié)構(gòu)的三維特性，僅從流向平面圖像很難準(zhǔn)確量化湍流結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)速度和變化率。仍然可以定性地分析邊界層轉(zhuǎn)捩過(guò)程中不同區(qū)域流動(dòng)結(jié)構(gòu)的演變是不同的。在上游邊界層轉(zhuǎn)捩的早期區(qū)域，發(fā)卡渦是主要的流動(dòng)演化特征，并伴有明顯的向上拉伸趨勢(shì)。在邊界層轉(zhuǎn)捩的后期，多種結(jié)構(gòu)之間的相互作用而不是單一的發(fā)夾渦模式主導(dǎo)了演化過(guò)程。

選取了一個(gè)典型的例子來(lái)描述平板邊界層轉(zhuǎn)捩中除旁路轉(zhuǎn)捩之外的新結(jié)構(gòu)生成過(guò)程。如圖4所示。可以觀察到一個(gè)新發(fā)卡渦生成的全過(guò)程，標(biāo)記為渦E，視場(chǎng)從x = 230 mm延伸到x = 290 mm，每幅圖像之間的時(shí)間間隔為5 ms，流動(dòng)從左到右。從圖4(a)到圖4(d)，只觀察到波浪形結(jié)構(gòu)，在圖4(d)現(xiàn)有下游波浪形結(jié)構(gòu)的上部可以觀察到一個(gè)小的凸起結(jié)構(gòu)。然而，在圖4(e)中，這種波狀結(jié)構(gòu)已經(jīng)迅速演變成發(fā)夾渦(渦F)。隨后，漩渦E被連續(xù)卷起，其長(zhǎng)度和高度同時(shí)增加。渦F的頭部沿下游方向有明顯的斜向上拉伸趨勢(shì)。在圖4(h)中，3個(gè)結(jié)構(gòu)沿著流動(dòng)方向并排生成，并保持著服從理想發(fā)夾模型的明顯特征，彼此之間沒(méi)有明顯的相互作用。

圖4 轉(zhuǎn)捩早期階段新結(jié)構(gòu)的生成

有2點(diǎn)值得注意：

第一點(diǎn)是渦旋結(jié)構(gòu)的演化和發(fā)展速度。通過(guò)圖中的8幅時(shí)序圖像，可以發(fā)現(xiàn)新結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生可以分為3個(gè)階段。在第一階段，結(jié)構(gòu)以非常慢的速度演化，如圖4(a)-圖4(d)所示。但在第二階段，結(jié)構(gòu)以非常高的速度演化，并迅速形成發(fā)夾渦，如圖4(d)-圖4(e)所示。而在第三階段，進(jìn)化速度有所下降，但仍高于第一階段，如圖4(e)-圖4(h)所示。可以把第一階段的類(lèi)波結(jié)構(gòu)看作準(zhǔn)穩(wěn)定狀態(tài)，因此演化速率較低。第二階段可以看作是從波狀結(jié)構(gòu)向發(fā)夾結(jié)構(gòu)的快速轉(zhuǎn)捩，表現(xiàn)為原有的平衡被打破，發(fā)夾結(jié)構(gòu)迅速形成，流動(dòng)再次進(jìn)入新的準(zhǔn)穩(wěn)定狀態(tài)。第三階段的演化速度比第一階段快，表明發(fā)夾結(jié)構(gòu)的演化比波狀結(jié)構(gòu)快。

第二點(diǎn)是同一時(shí)刻下不同渦旋結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生過(guò)程存在差異。如圖4(d)至圖4(h)所示，在20 ms的時(shí)間間隔內(nèi)形成了一個(gè)新的發(fā)夾渦(渦F)。然而，渦F上游的渦E已經(jīng)在圖4(a)中形成。此外，渦E在35 ms內(nèi)(圖4 (a)~圖4(h))的形狀變化不如渦E在20 ms內(nèi)(圖4(d)至圖4(h))明顯，這意味著上游渦E的演變速度明顯慢于下游渦F。并且越靠近下游方向，發(fā)夾頭結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)特性越明顯。相應(yīng)地，越靠近上游方向，發(fā)卡頭沿流向拉伸的效果越明顯。

圖5中提供了一個(gè)大尺度結(jié)構(gòu)破碎成多個(gè)小尺度結(jié)構(gòu)的過(guò)程的例子，圖5的拍攝范圍與圖4相同，每幅圖像之間有5 ms的時(shí)間間隔，流動(dòng)從左到右。在圖5（a）和圖5（b）中，一個(gè)單獨(dú)的發(fā)夾渦（渦G）已經(jīng)存在，并在5 ms的間隔內(nèi)像圖4中的渦一樣發(fā)展。然而，在圖5(c)中的發(fā)夾頭區(qū)域在5 ms的時(shí)間間隔內(nèi)產(chǎn)生了兩個(gè)頭部而不是單個(gè)頭部，并且在圖5(d)中在相同的時(shí)間間隔內(nèi)產(chǎn)生了更多的小頭部。從圖5（d）到圖5（e）可以看出，在5 ms的間隔內(nèi)，這些結(jié)構(gòu)發(fā)生了巨大的變化。然后，從圖5(e)到圖5(h)可以看出，進(jìn)化速度再次減慢。

圖5 邊界層轉(zhuǎn)捩中大尺寸結(jié)破碎過(guò)程

與隨時(shí)間發(fā)展的單個(gè)發(fā)夾結(jié)構(gòu)不同，可以初步判斷是多個(gè)頭部結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)導(dǎo)致了渦G的破裂。當(dāng)多個(gè)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)時(shí)，由于它們的相互作用，結(jié)構(gòu)的破壞加速。不同于圖3所示的渦B中相互作用，渦B中由于大尺度渦起主導(dǎo)作用，而其他小尺度渦對(duì)這個(gè)大尺度結(jié)構(gòu)的影響相對(duì)較小，因此可以觀察到相對(duì)規(guī)律的演變過(guò)程。但是在圖5(c)中，新生成的多個(gè)結(jié)構(gòu)具有相似的尺度，所以它們之間的相互作用是相似的，沒(méi)有任何結(jié)構(gòu)可以主導(dǎo)。結(jié)果，在隨機(jī)因素的影響下，每個(gè)結(jié)構(gòu)的原始發(fā)展被破壞，新的平衡結(jié)構(gòu)很快再次形成。而這種新的平衡結(jié)構(gòu)發(fā)展成穩(wěn)態(tài)，類(lèi)似于湍流邊界層中包含多個(gè)小尺度結(jié)構(gòu)的大尺度發(fā)夾渦包，在這里無(wú)法維持單個(gè)的發(fā)夾渦結(jié)構(gòu)。

三

研究成果

1) 在邊界層轉(zhuǎn)捩過(guò)程中，不同區(qū)域擬序結(jié)構(gòu)的演化不同。在上游區(qū)域，主要是單個(gè)發(fā)卡渦的產(chǎn)生和發(fā)展，發(fā)卡渦之間沒(méi)有明顯的相互作用。在下游區(qū)域，轉(zhuǎn)捩過(guò)程不是由單個(gè)發(fā)夾渦模型主導(dǎo)，而是由現(xiàn)有大尺度渦的誘導(dǎo)產(chǎn)生新的小尺度結(jié)構(gòu)，然后相互作用，形成更復(fù)雜的大尺度結(jié)構(gòu)。與單一結(jié)構(gòu)的演化相比，多渦之間的相互作用會(huì)加速演化，使得演化過(guò)程更加復(fù)雜。

2) 發(fā)夾渦模型能很好地解釋除旁路轉(zhuǎn)捩外新渦的形成 。但瞬時(shí)結(jié)構(gòu)的演變也與局部流場(chǎng)條件有關(guān)，如邊界層厚度和速度梯度。而新結(jié)構(gòu)的形成大致可以分為3個(gè)階段。在第一階段，結(jié)構(gòu)以非常慢的速度演化，但在第二階段，結(jié)構(gòu)以非常高的速度演化并迅速形成發(fā)夾渦。第三階段，進(jìn)化速度下降，但仍高于第一階段。第一階段和第三階段可以分別視為一種準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)，第二階段可以視為從第一階段到第三階段的突變過(guò)程。

3) 具有相似尺度的多個(gè)渦旋之間的相互作用將是破裂的原因之一。因?yàn)闆](méi)有一個(gè)結(jié)構(gòu)可以支配其他結(jié)構(gòu)，原來(lái)的結(jié)構(gòu)無(wú)法維持，然后分解成復(fù)雜的多尺度結(jié)構(gòu)，再次達(dá)到新的平衡。

四

團(tuán)隊(duì)介紹

何霖（第一作者） ，國(guó)防科技大學(xué)空天科學(xué)學(xué)院副教授，主要從事高速飛行器氣動(dòng)試驗(yàn)技術(shù)及應(yīng)用研究，獲國(guó)家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)1項(xiàng)，某科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)1項(xiàng)，獲評(píng)優(yōu)秀博士學(xué)位論文，入選青年科技英才，發(fā)表論文50余篇，授權(quán)專(zhuān)利25項(xiàng)。

陸小革，國(guó)防科技大學(xué)空天科學(xué)學(xué)院助理研究員，主要從事高速飛行器氣動(dòng)試驗(yàn)技術(shù)及應(yīng)用研究，獲某科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)1項(xiàng)。

易仕和，國(guó)防科技大學(xué)教授，主要從事高速飛行器氣動(dòng)試驗(yàn)技術(shù)及應(yīng)用研究，湖南省力學(xué)學(xué)會(huì)理事長(zhǎng)，湖南省流體力學(xué)學(xué)會(huì)主任委員，獲國(guó)家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)1項(xiàng)，某科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)3項(xiàng)，二等獎(jiǎng)2項(xiàng)。授權(quán)發(fā)明專(zhuān)利35項(xiàng)，發(fā)表論文200余篇。

文章來(lái)源：航空學(xué)報(bào)

供稿：何霖

編輯：李明敏，許雅婷

審核：蔡斐，范真真