高超声速椭圆锥边界层横流转捩特性大涡模拟

横流效应显著影响高超声速飞行器的三维边界层转捩过程,深化对该流动机制的认识有助于提升和改善飞行器气动性能及热力学环境.针对HIFiRE5椭圆锥绕流问题,采用大涡模拟方法计算分析了超声速边界层横流转捩特性,并揭示其中的流动机理.参考HIFiRE5风洞模型试验条件,数值模拟中椭圆锥来流入口处施加人工速度扰动以激发边界层内不稳定扰动波,进而预测了高超声速边界层流动横流失稳、转捩过程等基本流动特征,并基于转捩热流分布形态对比,获得了与试验数据基本吻合的计算结果.研究发现,椭圆锥中心线流动汇聚形成的流向涡结构非常容易失稳,另外在中心线及侧缘之间的中部区域存在较强的横流不稳定性,两种机制共同作用影响边界层转捩过程.此外,分析了来流扰动幅值对边界层横流失稳转捩的影响,并发现静来流条件下,横流区域出现两组独立的定常横流涡结构,而强噪声来流条件下,中心线主涡和中部横流涡均发生失稳转捩,且在椭圆锥表面形成多峰状的转捩阵面.最后,深入分析流场的压力脉动动力学特性,揭示了三维边界层发生失稳转捩的非线性演化机制.