基于壁面吹气的高超声速湍流边界层减阻降热

doi:10.7527/S1000-6893.2026.33473

流动控制与热管理专刊

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基于壁面吹气的高超声速湍流边界层减阻降热

陈锦辉¹, 柳婉婷¹, 李志远¹, 蔡淏屹², 吴杰¹()

^1.华中科技大学航空航天学院，武汉 430074
^2.湖北航天技术研究院总体设计所，武汉 430048

收稿日期:2026-02-06 修回日期:2026-02-26 接受日期:2026-03-16 出版日期:2026-03-26 发布日期:2026-03-19
通讯作者: 吴杰 E-mail:jiewu@hust.edu.cn

Drag and heat reduction in a hypersonic turbulent boundary layer via wall blowing

Jinhui CHEN¹, Wanting LIU¹, Zhiyuan LI¹, Haoyi CAI², Jie WU¹()

^1.School of Aerospace Engineering，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China
^2.System Design Institute of Hubei Aerospace Technology Academy，Wuhan 430048，China

Received:2026-02-06 Revised:2026-02-26 Accepted:2026-03-16 Online:2026-03-26 Published:2026-03-19
Contact: Jie WU E-mail:jiewu@hust.edu.cn

摘要/Abstract

摘要：

高超声速飞行器在实际飞行过程中面临严峻的气动力/热环境。针对高超声速飞行器在湍流边界层条件下面临的高摩擦阻力、强气动加热现象，采用大涡模拟（LES）方法，开展了壁面小孔微吹气对马赫数为6的平板湍流边界层减阻、降热特性的影响研究。通过对比光滑平板、多孔平板工况，分析了微吹气作用下壁面摩阻系数、壁面温度沿流向的发展规律，发现微吹气在减小摩擦阻力的同时还能产生降热效果，局部最大减阻率、降热率可分别达到17.8%、7.6%。通过对小孔吹气流动控制机制的研究，发现壁面吹气使湍流边界层平均速度剖面上抬，近壁低速流体向外重新分布，并伴随流向速度脉动增强、剪切雷诺应力增大。湍流统计分析表明，微吹气增强了近壁区湍流的间歇性特征，提高了上吹事件的发生概率，强化了近壁区流体向外输运过程，从而在实现减阻的同时有效减小了壁面热负荷。研究结果表明，壁面小孔微吹气在高超声速湍流边界层减阻、降热方面具有良好的应用潜力。

关键词: 高超声速, 微吹气, 湍流边界层, 减阻, 降热

Abstract:

Hypersonic vehicles are subjected to severe aerodynamic drag and thermal loads during practical flight. To address the issues of high skin-friction drag and intense aerodynamic heating under hypersonic turbulent boundary layer conditions， Large Eddy Simulation （LES） is performed to investigate the drag-and heat-reduction effects of wall micro-blowing through small pores on a Mach number of 6 flat-plate turbulent boundary layer. By comparing smooth-wall and porous-wall configurations， the streamwise distributions of the skin-friction coefficient and wall temperature are analyzed. The results show that wall micro-blowing can simultaneously reduce skin-friction drag and wall thermal load， with the maximum local drag-reduction and heat-reduction rates reaching 17.8% and 7.6%， respectively.Further analysis of the flow-control mechanisms reveals that micro-blowing lifts the mean velocity profile of the turbulent boundary layer， redistributes near-wall low-speed fluid toward the outer region， and is accompanied by enhanced streamwise velocity fluctuations and shear Reynolds stress. Turbulence statistics indicate that micro-blowing intensifies the intermittency of near-wall turbulence， increases the occurrence probability of ejection events， and strengthens the outward transport of low-momentum fluid， which contributes to drag reduction while effectively alleviating wall heat load. These results demonstrate that micro-blowing through small pores has promising potential for simultaneous drag and heat reduction in hypersonic turbulent boundary layers.

Key words: hypersonic flow, micro-blowing, turbulent boundary layer, drag reduction, heat reduction

中图分类号:

V211.3

陈锦辉, 柳婉婷, 李志远, 蔡淏屹, 吴杰. 基于壁面吹气的高超声速湍流边界层减阻降热[J]. 航空学报, 2026, 47(13): 533473.

Jinhui CHEN, Wanting LIU, Zhiyuan LI, Haoyi CAI, Jie WU. Drag and heat reduction in a hypersonic turbulent boundary layer via wall blowing[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2026, 47(13): 533473.

图/表 19

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参考文献 34

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