基于分层输入输出分析的高超声速尖锥与钝锥对自由流平面波的三维感受性
流体动力学
2023-12-06 v2
摘要
理解高超声速流动对自由流扰动的感受性，对于预测从层流到湍流的边界层转捩至关重要。输入输出分析作为一种感受性工具，利用全局线性动力学考虑哪些自由流扰动会引起边界层的最大响应。本文解决了两个技术挑战。首先，我们扩展了 Kamal 等人（Kamal, 2023）的近期工作，通过对经典输入输出公式的自由流边界修正，将允许的强迫限制为物理可实现的输入。其次，我们开发了分层输入输出（H-IO）分析，使得我们能以原本直接求逆完整三维 resolvent 算子所需计算成本的一小部分来解决三维问题。接下来，我们考虑马赫数 5.8 下流经尖锥以及具有 3.6 mm 和 7.2 mm 球形钝头的两个钝锥的流动。H-IO 正确预测尖锥边界层在 10 度最优入射角下对慢声学波最具感受性，验证了该方法。随后我们研究了自由流扰动对钝锥边界层的影响，并识别出在 10 kHz 斜置第一模态不稳定性以及 40 和 70 kHz 熵层不稳定性下的两种不同以涡量为主导的感受性机制。我们的结果表明这些感受性过程本质上高度三维，涉及鼻锥以及沿下游斜激波在特定方位角处窄带上的激励。我们依据线性激波/扰动相互作用理论中的临界角来解释这些过程。最后，我们展示了这些新颖的感受性过程如何随频率和鼻锥钝度变化，并论证了该方法如何可用于基于第一性原理的转捩预测。
引用
@article{arxiv.2306.03248,
title = {Three-dimensional receptivity of hypersonic sharp and blunt cones to free-stream planar waves using hierarchical input-output analysis},
author = {David A. Cook and Joseph W. Nichols},
journal= {arXiv preprint arXiv:2306.03248},
year = {2023}
}
备注
Submitted to Physical Review Fluids