邊界層轉捩
關注創建者：匿名 創建時間：2026-01-04
邊界層轉捩的實例教程
1月12-13日，國家重點研發計劃項目“高超聲速邊界層轉捩機理、預測及控制方法研究”2018年度研討會在力學所懷柔園區召開。中國空氣動力研究與發展中心計算所陳堅強、袁先旭，超高速所張扣立、許曉斌，天津大學曹偉，清華大學任玉新、許春曉、肖志祥，國防科技大學易仕和，航天一院段毅、余平，以及力學所姜宗林、李新亮、申義慶等60余位專家出席會議。項目科技部責任專家何國威院士和航天一院十所總師閔昌萬應邀到會指導。
“高超聲速邊界層轉捩機理、預測及控制方法研究”系國家重點研發計劃項目“大科學裝置前沿研究”重點專項項目之一，包括邊界層轉捩風洞實驗研究、轉捩機理與預測方法研究、轉捩建模與控制方法、轉捩模型飛行試驗四個課題。力學所負責邊界層轉捩風洞實驗研究。
此次會議共交流25篇學術報告，包括高超聲速邊界層轉捩的理論、實驗和計算等。力學所5篇報告參與交流，涉及到高超聲速邊界層轉捩的復現風洞實驗、直接數值模擬、新型數值方法、大渦模擬和轉捩控制等方面內容。
會議期間，與會人員參觀了JF-12復現風洞和國際最大的平板、尖錐邊界層轉捩實驗模型（長度均超過3米，一般為1米以內）。
展開 論文下載二維碼：
一
研究背景
在層流-湍流轉捩過程中，及時地可視化擬序結構的有組織運動是解開復雜動力學過程的有力工具之一。特別是時間分辨可視化方法尤為重要。因為這些時間分辨方法將提供更多關于擬序結構在轉捩過程中的有組織運動的有用信息，有助于進一步理解轉捩機制。例如，到目前為止，發夾渦是如何在下游進一步發展的，超聲速板邊界層中流動破裂的機制是什么，以及如何產生新的結構都沒有得到很好的解釋。因此，可視化轉捩過程中結構的演變有助于理解轉捩結構的起源、形成和影響發展的因素，并有望為控制邊界層轉捩提供方法。
相對不可壓邊界層研究，關于可壓縮邊界層中結構演變的實驗研究很少，特別是在超聲速或高超聲速邊界層中。在超聲速流動中，這些過程通常發生在微秒級的時間尺度上，在這樣的時間尺度上，很難通過實驗獲得多幅高分辨率的流動可視化圖像。超聲速或高超聲速流動演變的實驗研究提出了重大挑戰。因為要跟蹤高速流的結構演變，需要以快速（kHz甚至MHz）的重復率采集圖像。此外，需要非常短的曝光時間來解析瞬時流動特征。因此，在保持超聲速流動的有意義的空間分辨率的同時，滿足高速成像的時間分辨率要求具有挑戰性。
二
研究亮點
采用一種由多個脈沖激光器和多個照相機組合的方式，實現在非常短的時間間隔以高分辨率記錄Ma=3超聲速平板邊界層在轉捩過程中擬序結構的快速變化過程，通過分析擬序結構隨時間的變化以促進對邊界層轉捩和破碎成湍流過程的進一步理解。
展開 ., Turbomachinery, 40th volume, pp.212-217, 2012 (in Japanese)
仿真模型
使用能夠考慮邊界層從層流過度到湍流的LKE k-kL-ω 湍流模型[2]。
[2] Walters, D.K., et. al., ASME J. of Fluids Engineering, 130, 121401, 2008
[3] Coupland, J., ERCOFTAC Special Interest Group on Laminar to Turbulent Transition and Retransition, 1990
螺旋槳翼面流動
螺旋槳敞水性能仿真結果
小結
利用MSC Cradle中考慮邊界層湍流轉捩的湍流模型，實現了對船用螺旋槳敞水性能的高精度預測。在高效螺旋槳的設計開發階段，準確地預測/探討其性能成為可能。
展開 大會論文集共收錄論文120余篇，論文內容涉及到高溫氣體動力學、實驗設備和技術、激波動力學、超聲速燃燒、邊界層轉捩、界面不穩定性、爆炸和爆轟、數值方法等激波和激波管研究的相關領域。大會組委會經過認真討論，從大會宣講的90多篇學術報告中評選出3篇優秀青年論文和6篇優秀學生論文，并在閉幕式上向獲獎者頒發證書。會議期間，部分代表還參觀了力學所懷柔園區JF-12復現風洞、變馬赫數風洞和長時間推進風洞等設備。本屆會議，老中青研究人員歡聚一堂，熱烈交流激波與激波管及相關領域的最新發展和研究成果，加強了相關領域各科研單位的相互合作與聯系，推動了中國激波與激波管及相關研究領域的蓬勃發展。
盡管如此，高超聲速飛行器依然面臨著降熱、減阻、控制、進氣道起動等一系列難題，激波、激波與邊界層干擾、邊界層轉捩、湍流邊界層、流動分離等復雜流動現象極大地影響了飛行器的氣動性能與熱防護系統設計。清晰地認識高超聲速飛行器近壁典型流場的精細結構，并對其施加合適的流動控制，已成為航空航天領域發展研究的熱點與難點。
面對高超聲速復雜流動與控制這一世界性難題，國防科技大學主動流動控制與吸氣式推進動力前沿交叉團隊負責人羅振兵教授從多學科交叉中創新發展了高超聲速流動控制理論和方法，解決了傳統合成射流高速流場控制環境適應性差、能耗大和控制力不足的難題，將合成射流從低速流場控制拓展到了超聲速/高超聲速流場控制。
近年，該團隊在超聲速/高超聲速、低速/亞聲速飛行器主動流動控制、防除冰、主動流動控制飛行控制技術等方面取得系列重要進展。利用NPLS技術系統研究了附壁三角翼超聲速層流繞流流場，獲得了復雜激波干擾、尾跡擬序渦的空間結構和時空演化特征，建立了超聲速三角翼渦流發生器尾流區的流動結構模型。相關研究發表在APL等期刊。
團隊提出了基于速度-溫度耦合控制的超聲速湍流邊界層減阻控制方法，耦合了傳統壁面吹氣控制與壁面加熱控制的優勢，通過直接數值模擬研究發現適當增加壁面吹氣的溫度可以在保持凈節能率的前提下大幅增加減阻率，達到1+1=2的控制效果。相關研究發表在PRF、AST上。
利用新型無源逆向等離子體射流控制超聲速鈍頭體弓形激波，典型模式下鈍頭體弓形激波脫體距離明顯增大，流場中存在典型的短穿透模式和長穿透模式，該方法通過電參數進行操控，無需額外氣源，最高平均減阻效果達25.82%。相關研究發表在PoF、CJA等期刊。
展開 
邊界層轉捩的最新內容
在葉輪機械中，葉片表面邊界層轉捩、分離以及通道中二次流、端壁間隙流是主要流動現象，因此數值仿真中須建立恰當的湍流模型與近壁面條件；在燃燒室中，大尺度旋流、剪切與回流用于強化燃料與空氣摻混與穩定火焰，因此數值仿真中須充分評估流動、混合與化學反應時間尺度的差異，建立微尺度下流動與燃燒耦合作用的燃燒模型。當前，上述主要計算方法在各部件的獨立仿真中均有著長足發展、日趨成熟。
簡單說，就是存在三維流動、激波、邊界層、二次流、轉捩、失速、喘振和轉靜干涉……看得人心好累！正是因為航空發動機內部流動如此復雜，所以早期的研制過程要經歷研究-設計-試驗-修改設計-再試驗的多次迭代過程。
渦B的演變不同于渦A的演變，因為渦A可以作為一個單獨的渦來處理，但渦B內部可能存在多個渦，而且渦A處于邊界層轉捩的前期，而渦B處于轉捩的后期。然而，由于湍流結構的三維特性，僅從流向平面圖像很難準確量化湍流結構的運動速度和變化率。仍然可以定性地分析邊界層轉捩過程中不同區域流動結構的演變是不同的。在上游邊界層轉捩的早期區域，發卡渦是主要的流動演化特征，并伴有明顯的向上拉伸趨勢。
根據誘發轉捩的機制不同，轉捩的類型主要有：流向Tollmien-Schlichting（T-S）波和橫向CrossFlow（CF）波主導的自然轉捩、層流分離泡轉捩、邊界層外擾動直接觸發的旁路轉捩、渦致轉捩、前緣附著線轉捩、高超聲速邊界層的第一模態、第二模態和其他高階失穩模態轉捩等。其中自然轉捩以及層流分離泡轉捩是民航飛機機翼表面主要的轉捩形式。
5.4 推進技術
超燃沖壓發動機是高超聲速飛行器的動力研究熱點，燃料增混、燃燒強化、邊界層轉捩和燃燒熱防護等是目前超燃沖壓發動機的研究難點［61］，并且單一動力結構無法滿足從水平起飛到高超聲速階段的動力需求。
盡管如此，高超聲速飛行器依然面臨著降熱、減阻、控制、進氣道起動等一系列難題，激波、激波與邊界層干擾、邊界層轉捩、湍流邊界層、流動分離等復雜流動現象極大地影響了飛行器的氣動性能與熱防護系統設計。清晰地認識高超聲速飛行器近壁典型流場的精細結構，并對其施加合適的流動控制，已成為航空航天領域發展研究的熱點與難點。
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螺旋槳敞水效率預測
船舶的推進裝置主要由螺旋槳承擔，它的效率即便是百分之幾的改進都對大幅度降低二氧化碳排出，提高燃油經濟性產生莫大的影響。開發高效螺旋槳需要在開發階段進行高精度的性能預測，本研究中通過與實驗結果的比較[1]，對CFD仿真的有效性進行了驗證
MSC Cradle進行包含翼端渦流區域的螺旋槳氣穴的預測
案例分享 | 利用MSC Cradle進行船尾壓力變動的預測
案例分享 | 利用MSC Cradle分散多相流的功能進行氣液二相流的仿真
案例分享 | 利用MSC Cradle確認在渦輪上安置“集流罩”有提高水輪功率系數的效果
案例
案例分享 | 利用MSC Cradle進行考慮邊界層轉捩現象的船用螺旋槳性能預測
伴隨著流動的發展，邊界層又可以分為層流邊界層，轉捩區（過渡區），湍流邊界層。在大部分的工程問題中可以忽略轉捩的影響，考慮的是湍流邊界層。
邊界層分層
在湍流邊界層中，流體會同時受到粘性切應力和湍流附加切應力。
本章內容在編寫之初想法很簡單，只是想告訴大家在軟件里面怎么操作生成邊界層，但是寫的過程中又有了新的想法。
本章節主要包含以下內容：
1.什么是邊界層；
2.什么是y+;
3.邊界層數對流速和流阻的影響.
先借用ccm+ tutorial文件里面的一段原文來解釋一下在流動的求解過程中為什么要引入邊界層網格
