高超声速尖锥边界层流动稳定性的子波分析与互双谱分析

摘要

高超声速边界层的不稳定性和转捩是航空航天的关键基础问题之一。高超声速边界层从层流转捩成为湍流，可以使航天器壁面摩擦阻力和壁面热流大幅度增加，从而对航天器的姿态控制、燃料消耗、结构设计和热防护产生重要影响。本文在自由来流马赫数6的高超声速风洞中对半锥角5°的尖锥高超声速边界层稳定性和转捩进行了实验研究，在尖锥表面沿母线安装了28个铂膜热电阻温度传感器，测量壁面瞬时脉动热流通量沿尖锥一条母线轴向的分布。
　　 本文提出了一种基于子波变换的研究高超声速边界层稳定性和转捩的新方法。对测量得到的壁面瞬时脉动热流信号进行多尺度连续子波变换，对信号进行子波谱、双谱和互双谱综合分析，并且利用条件采样和相位平均的方法分析了信号中第一、第二模态不稳定扰动沿流向的发展。
　　 本文对瞬时脉动热流信号进行连续子波变换，发现子波系数的一些局部极大值的尺度范围是200KHz到300KHz，对应了第二模态扰动。第二模态扰动沿流向不断发展，在测点X=480mm处转捩达到峰值。条件采样方法利用子波系数为指标，从信号中提取不稳定扰动信号。利用相位平均技术得到第二模态不稳定扰动的整体波形，扰动的幅值先增长后下降且波形发生变化，从不对称变得对称。
　　 本文对瞬时脉动热流信号进行子波双谱分析，发现流动初期第一、第二模态扰动在边界层的演化中同时起作用，随着流向位置的增加，第二模态扰动的增长率超过低频模态。在测点X=480mm处非常清楚地识别到第一模态与第二模态的频带范围。对信号进行互双谱分析，发现不同频率的第二模态扰动之间的耦合沿流向逐渐增强，且其耦合调制对低频扰动具有显著的增强作用。此时第一与第二模态扰动的非线性相互作用成为主要的不稳定性。
　　 本文的研究表明：子波分析与互双潜分析技术对于尖锥高超声速流动边界层稳定性和转捩的研究是非常有效的。在高超声速状态，主要的流动不稳定性是第二模态，它在尖锥边界层的层流-湍流的转捩过程中起主导作用。