综合学术报告

本文是一篇关于湍流边界层与激波交互（shock-wave/boundary-layer interaction, 简称SBLI）的原始研究成果的学术报告。文章的主要作者包括 Julia Muller、Chelsea Johnson、Meghna Dutta 和 Joseph C. Oefelein，隶属于 Georgia Institute of Technology（乔治亚理工学院），并发表于 2025 年 AIAA SciTech Forum。研究集中探讨了非绝热条件下的SBLI中分离气泡的不稳定性机制，并结合壁面模型的大涡模拟（wall-modeled large eddy simulation, WMLES）和耦合传热模型（conjugate heat transfer, CHT）进行了研究。

学术背景

湍流边界层与激波交互（SBLI）是航空航天、交通工具热力设计和热防护系统研究中极为重要的课题之一。SBLI的非定常行为会导致复杂的热传递、结构振动和流动分离，对高超声速飞行器、燃气涡轮发动机和其他高热环境操作的车辆部件可能产生较大疲劳，从而影响其长期可靠性。然而，SBLI的不稳定特性，尤其是低频的不稳定机制仍未被完全理解。

此前研究表明，SBLI相关的分离气泡会在低频范围内展现显著的不稳定性，而这一频率远低于背景湍流的频率。现有文献对激波脚位置的波动研究较多，但在非绝热（即考虑热传导效应）的高雷诺数流动环境下，SBLI分离气泡的动态机制研究相对有限。本研究的目标包括两个方面：第一，探讨分离气泡的平均行为物理机制；第二，探讨低频不稳定性的物理机制。

研究流程

研究采用了松散耦合的传热模型（CHT）和壁面模型的大涡模拟（WMLES）相结合的方法，针对三种不同壁面温度条件的高马赫数（M∞ = 2.5）流动环境进行了模拟。研究设计了如下实验条件：

1. 三种温度条件：

   • 基准情形（baseline case）：壁面温度为 (T_{fw}/T_r = 1.05)，与参考实验相匹配。
   • 冷壁情形（cold case）：壁面温度为 (T_{fw}/T_r = 0.5)。
   • 热壁情形（warm case）：壁面温度为 (T_{fw}/T_r = 1.5)。

2. 计算域设置：

   • 流体域采用Favre滤波的Navier-Stokes方程，利用RAPTOR代码框架求解该系统，进行了密度加权的分解以简化计算。
   • 固体域通过三维热扩散方程求解热传递，其中Boundary Condition优化形式为温度连续性与能量守恒。
   • 考虑了实验中的壁面面板为303不锈钢材料，同时在实验条件下，采用真空泵维持面板背面腔体为静态。

3. 新方法的开发： 本研究创新性地提出了一种名为“Hacked Material Method” (HMM) 的方法，通过调整固体热扩散率来提升固体域计算的时间尺度，加速模拟收敛。这一方法能够在不牺牲结果精确度的情况下显著降低计算成本。

实验结果

1. 实验验证： 模拟结果与参考文献中实验数据的对比表明，基准工况下的分离长度、壁面压力分布和压力波动与实验观测结果高度符合，分离长度差值小至0.1 mm，表明该研究的数值模拟方法具有高可靠性。

2. 平均分离气泡特性： 基准情形与热壁情形展示了较大的分离气泡区域，而冷壁情形气泡较小；这与壁面温度对湍流边界层密度及动量过渡的影响密切相关。针对皮肤摩擦系数和墙面压力升高的分析显示低温壁面条件下得到了更强的组织化结构，但平均动量较小。

3. 低频不稳定性： 冷壁情形的压力波动频谱表现出更强的低频振幅波动，热壁情形则更倾向于小幅低频响应。分离气泡的特征频率与气泡长度呈显著关联，而归一化处理后观察到特征频率在不同情境下跨越文献呈现一致性（Strouhal数范围为0.01至0.1）。

4. 发卡涡结构分析： 结合发卡涡（hairpin vortex）的特征提取算法，研究分别对分离前、分离泡以及尾部区域的涡结构进行了条件统计平均。结果表明，冷壁条件有更高、更规整的发卡涡组织，有助于强化其低频激励特性；而热壁条件则展现出了更加混乱的小尺度结构。

5. 数据滤波与相关性验证： 运用低通与高通滤波对动量和压力波动的时间相关性分布进行了研究。发现低频成分在激波脚附近的分离点前后相关性更强，而高频波动在断裂再附位置基本解耦。

研究结论及意义

本研究全面揭示了非绝热SBLI下分离气泡的平均和非定常行为，通过壁面热量流动与气动负载的耦合作用，详细探讨了温度效应如何影响分离位置、分离长度及涡旋结构。以下为主要的科学发现及意义：

1. 科学价值：

   • 进一步验证了Touber和Sandham模型关于分离气泡动态稳定性的低频滤波机制。
   • 提供了关于温度敏感性对SBLI分离气泡行为影响的物理机制解释：即壁温通过改变湍流动量厚度与压力梯度之间的平衡，显著对低频不稳定性产生作用。

2. 应用价值： 本研究对于优化飞行器热机械设计，提升燃气涡轮热防护计算的完整性，以及改善高温条件下复杂流-固耦合仿真具有实际参考意义。

研究亮点

• 创新性地结合了松散耦合的热传递模型（HMM）和壁面模型的LES方法，形成了一种高效、经济又准确的数值模拟方法。
• 提出了对发卡涡统计特征提取的新流程，实现了从湍流大涡提取到流固耦合效应分析的直接联系。
• 为特征频率的统一归一化提供了强有力的数值证据，提出了分离气泡特性频率可作为SBLI动力学系统内部本征特性的观点。

本文研究不仅成功展现了基于壁面热效应的SBLI行为规律，还提供了一种高效的非绝热条件数值模拟方法，深化了对低频不稳定性物理机制的理解，为未来相关工程设计与基础研究奠定了关键基础。