分布式烧蚀形貌对高超声速平板边界层不稳定性影响

doi:10.7527/S1000-6893.2024.30464

流体力学与飞行力学

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分布式烧蚀形貌对高超声速平板边界层不稳定性影响

李学良¹, 李创创¹, 张亚寒¹, 苏伟², 吴杰¹()

^1.华中科技大学航空航天学院，武汉 430074
^2.北京航天长征飞行器研究所，北京 100076

收稿日期:2024-03-29 修回日期:2024-06-03 接受日期:2024-06-21 出版日期:2024-06-28 发布日期:2024-06-25
通讯作者: 吴杰 E-mail:jiewu@hust.edu.cn

Effect of distributed ablation pattern on hypersonic boundary-layer instability with a flat plate

Xueliang LI¹, Chuangchuang LI¹, Yahan ZHANG¹, Wei SU², Jie WU¹()

^1.School of Aerospace Engineering，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China
^2.Beijing Institute of Space Long March Vehicle，Beijing 100076，China

Received:2024-03-29 Revised:2024-06-03 Accepted:2024-06-21 Online:2024-06-28 Published:2024-06-25
Contact: Jie WU E-mail:jiewu@hust.edu.cn

摘要/Abstract

摘要：

高超声速飞行器表面的热防护材料在经历高温烧蚀后，呈现出分布式粗糙元形貌，而这种形貌对高超声速边界层转捩的影响规律、机制目前尚无统一认识。基于华中科技大学‍∅0.5 m 马赫数6 高超声速Ludwieg管风洞开展了风洞试验，研究了光滑工况及高度为0.5、1.0、1.5、2.0 mm的分布式粗糙元表面工况下高超声速平板边界层内不稳定波的演化规律，开展了单位来流雷诺数5.39×10⁶~1.72×10⁷ m^-1系列来流工况研究，明晰了分布式粗糙元高度因素、来流雷诺数对平板边界层不稳定性的影响。试验结果表明，在分布式粗糙元工况下，主导边界层不稳定性的仍为第二模态不稳定波，频率范围约位于60~120 kHz。对于高度低于当地边界层厚度的分布式粗糙元，高度因素对高超声速平板边界层的转捩位置影响较小。分布式粗糙元高度对高超声速平板边界层内第二模态不稳定波沿流向传播速度的影响是非单调性的，存在影响最大的临界高度。不同雷诺数来流条件下，光滑、粗糙工况下的第二模态波特征演化规律基本一致，且不同高度粗糙元工况在相同来流雷诺数下的边界层转捩位置区别不大。

关键词: 高超声速, 烧蚀形貌, 边界层转捩, 不稳定性, 平板模型, 风洞试验

Abstract:

After experiencing high-temperature ablation， the thermal protection material on the surface of hypersonic vehicle exhibits a pattern of distributed roughness element. However， the effect of such pattern on hypersonic boundary layer transition and its influencing mechanism have not been recognized at present， which has attracted the attention of researchers. Wind tunnel experiments are carried out based on the ∅0.5 m Mach number 6 Ludwieg tube wind tunnel of Huazhong University of Science and Technology. The evolution of instability waves in the hypersonic boundary layer of the flat plate is studied in the cases of smooth and distributed roughness elements with four heights of 0.5， 1.0， 1.5， 2.0 mm and various of Reynolds number at 5.39 × 10⁶ m^-1 to 1.72 × 10⁷ m^-1. The effects of distributed roughness element height and incoming Reynolds numbers on the boundary layer instability of a flat plate are clarified. The experimental results show that the second mode instability waves dominate the instability of the hypersonic boundary layer in the case of distributed roughness element， and the frequency range is about 60 kHz to 120 kHz. For the distributed roughness element which is lower than the local boundary layer thickness， the height factor has little influence on the transition position of the hypersonic boundary layer. The influence of height of the distributed roughness element on the flow velocity of the second mode instability waves in the hypersonic plate boundary layer is non-monotonic， and there is a critical height that has the greatest influence. Under the inflow conditions of different Reynolds numbers， the characteristic evolution of the second mode instability waves in the smooth and roughness cases is basically the same， and the boundary layer transition positions of roughness elements at different heights have little difference with the inflow of the same Reynolds number.

Key words: hypersonic, ablation pattern, boundary layer transition, instability, flat plate model, wind tunnel test

中图分类号:

V211.7

李学良, 李创创, 张亚寒, 苏伟, 吴杰. 分布式烧蚀形貌对高超声速平板边界层不稳定性影响[J]. 航空学报, 2025, 46(2): 130464.

Xueliang LI, Chuangchuang LI, Yahan ZHANG, Wei SU, Jie WU. Effect of distributed ablation pattern on hypersonic boundary-layer instability with a flat plate[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2025, 46(2): 130464.

图/表 16

图 1

图 2

图 3

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表 1

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图 10

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图 12

图 13

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参考文献 48

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X/mm	U/U_e
X/mm	h=0 mm	h=0.5 mm	h=1.0 mm	h=1.5 mm	h=2.0 mm
220~250	0.856 5	0.870 8	0.908 6	0.908 6	0.885 5
250~280	0.916 6	0.924 7	0.941 4	0.933 0	0.900 8
280~310	0.908 6	0.916 6	0.924 7	0.908 6	0.900 8
310~340	0.924 7	0.908 6	0.941 4	0.900 8	0.900 8
340~370	0.924 7	0.916 6	0.950 0	0.924 7	0.916 6
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分布式烧蚀形貌对高超声速平板边界层不稳定性影响

Effect of distributed ablation pattern on hypersonic boundary-layer instability with a flat plate

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