冲击波诱导分离层流-湍流转换的最优非线性机制
流体动力学
2026-05-12 v1
摘要
冲击波-边界层相互作用（SWBLI）中的层流-湍流转换是高超声速飞行器设计中的重大挑战，涉及阻力、热传递和结构负荷。线性最优扰动分析可识别潜在的不稳定性，但要完全把握SWBLI中的分解路径，需要进行非线性优化。本文基于Poulain等人 (Comput. Fluids, 2024) 提出的时空谱Navier-Stokes公式构建的非线性输入-输出优化框架，对一个在全局稳定但在卷积上不稳定的Mach 2.15斜冲击波SWBLI进行特征化。湊频率域方法捕获了均流扭曲，解析三频能量传递，并提取激发其他不稳定性机制的固有非线性应力。我们识别出四个阶段的转化路径：(1) 在中等频率下最优激发斜冲击波第一 Mack 模态波；(2) 反向传播Mack波的非线性自相互作用，在流线曲率峰值处的再贴附区域产生沿流Gortler样 vortices；(3) 通过这些vortices对沿流速度条纹进行升力; (4) 导致条纹破裂的次波浪沉旋流二次不稳定。在从微小到过渡水平的激励幅度范围内进行优化，结果表明准不变的最优激励结构，表明仅激发斜冲击波第一 Mack 模态即可触发湍流级联。频率-波数空间和激励配置的参数研究确认了这一优先路径。通过用有限个谐波解析非线性能量传递，本工作为高速分离流动的转换预测和控制策略开发提供了可行的框架，桥接了线性稳定性理论与完全湍流仿真。
引用
@article{arxiv.2605.09559,
title = {Optimal non-linear mechanisms for laminar-turbulent transition of a shock-induced separated shear layer},
author = {Flavio Savarino and Denis Sipp and Georgios Rigas},
journal= {arXiv preprint arXiv:2605.09559},
year = {2026}
}