马赫数6钝体上分布式粗糙度诱导转捩的数值研究
流体动力学
2026-02-04 v1
摘要
表面粗糙度显著影响层流向湍流的转捩，尤其是在高速钝体几何外形上，因为在大气再入过程中需要表面烧蚀来减轻热载荷。受Hollis (2017)进行的砂粒粗糙度实验启发，我们对马赫数6横流中的钝圆柱进行了首次直接数值模拟（DNS），粗糙元分布在整个表面。此类模拟旨在揭示层流-湍流转捩发生的精确方式，因为实验可获得的测量有限，且缺乏高保真模拟。粗糙元高度固定约为边界层厚度的35%，同时改变流向行之间的相对相位。所有构型均表现出驱动转捩过程的对流不稳定性，模态类型由粗糙度构型决定。在对齐粗糙元情况下，基本正弦条纹模态占主导，而在交错和随机相位情况下，二维T-S波占主导。这些不稳定波在增长到足够振幅时，触发由底层粗糙度模式引发的稳态条纹开始形成发卡涡，随后很快发生破碎。研究发现，粗糙度排列显著影响波的失稳程度以及底层稳态条纹的强度，两者共同决定了沿表面发生层流-湍流转捩（LTT）的位置。最后，对于T-S波主导的情况，不需要外部强迫，因为亚声速流中湍流产生的声学扰动在另一侧激发了T-S波——这是一种迄今未知的反馈机制。
引用
@article{arxiv.2602.03617,
title = {Distributed Roughness-Induced Transition on a Blunt Body at Mach 6: a Numerical Investigation},
author = {Sean Dungan and Mateus Braga and Robyn Macdonald and Christoph Brehm},
journal= {arXiv preprint arXiv:2602.03617},
year = {2026}
}