[发明专利]一种考虑激波的感受性分析方法

说明书

本发明涉及感受性问题研究领域，公开了一种考虑激波的感受性分析方法，本方法通过以下几个步骤实现：步骤1：对来流扰动波进行激波干扰分析，获得激波干扰后生成的新扰动波；步骤2：分析获得的新扰动波，并根据分析结果划分区域，然后研究各区域的新扰动波激发边界层扰动波的情况；步骤3：分析各区域新扰动波激发边界层扰动波的机理。本方法考虑流场激波的存在，利用数值计算与理论分析方法，追踪扰动从来流到激波、激波后向下游传播进入边界层、最终激发不稳定波的演化过程，可以细致研究在整个过程中来流扰动的感受性机理和传播途径。

技术领域

本发明涉及感受性问题研究，尤其涉及一种考虑激波的感受性分析方法。

背景技术

自然界中气流吹过物体时，其表面因气体的粘性作用而产生附着薄层，称为边界层。边界层流动存在着层流和湍流两种状态，湍流相较于层流具有高摩擦力、高热流、强掺混作用的特点，对物体(如飞行器)具有很强的破坏性。从层流到湍流的转变称为转捩。如果能够建立有效的转捩预测技术来预测边界层转捩位置，则可以更好地对飞行器进行热防护设计。

建立转捩预测技术，就要从科学上认识转捩问题。转捩过程一般分为三个阶段：第一个阶段是感受性阶段；第二个阶段是边界层扰动线性/非线性演化；第三个阶段是扰动二次失稳进而转捩为湍流状态。感受性即为外界扰动通过某种途径进入边界层而触发相应扰动波的过程，为后面阶段提供扰动波的初始幅值、频率和相位等信息。因此，研究感受性问题是研究转捩问题的首要任务。

感受性问题的研究方法有理论分析、数值计算、风洞实验等。理论分析可对感受性问题作出科学解释，方法有线性稳定性理论(LST)、三层结构理论等。数值计算是通过求解Navier-Stokes方程模拟来流扰动经过激波、下游传播、进入边界层、激发不稳定波的整个感受性过程。风洞实验是通过真实吹风实验测量模型表面的扰动信号以获取转捩信息(包括感受性信息)，但相较于前面两个方法，成本非常高，一般用于验证分析，这里不作考虑。

尽管理论分析方法和数值计算方法发展比较成熟，且一定程度上能够解决感受性问题，但在研究对象和研究思路上还具有局限性，理论分析与数值计算的结合分析对感受性问题仍存在认识盲区。其不足之处表现在：

(1)理论分析未考虑激波。早期感受性问题的研究对象是数学函数或相似性解的流场模型，不存在激波，即边界层直接面对来流环境。但在实际中因为模型前端的作用，流场中存在斜激波或者弓形激波，这将会改变来流扰动进入边界层时的扰动形式、传播途径以及激发边界层扰动波的效率。

(2)过激波后扰动信息认识不足。来流扰动过激波后扰动形式和幅值等均发生变化。数值计算可以模拟来流扰动经过激波乃至激发边界层扰动的整个感受性过程，但还没有对激波后的扰动形式形成认识，不利于研究其激发下游边界层扰动的机理。

(3)激波后扰动的演化激发过程认识不足。激波后扰动可能存在多种形式，那么它们向下游演化激发边界层扰动的途径可能也是不一样的。以往数值计算只是分析下游激发边界层扰动的过程，对扰动从激波到边界层的中间演化过程存在认识盲区。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提出一套能够用于研究尖头和钝头模型对来流扰动的感受性问题的分析方法，深入认识这种模型的感受性机理，为解决转捩问题提供初始信息，从而为建立高效准确的转捩预测技术提供支撑。

本发明采用的技术方案如下：一种考虑激波的感受性分析方法，包括：

步骤1：对来流扰动波进行激波干扰分析，获得激波干扰后生成的新扰动波；

步骤2：分析获得的新扰动波，并根据分析结果划分区域，然后研究各区域的新扰动波激发边界层扰动波的情况；

步骤3：分析各区域新扰动波激发边界层扰动波的机理。

进一步的，所述步骤1中，利用扰动与激波作用的线性RH理论进行激波干扰分析。