4.1. 复杂环境下边界层转捩机理与预测
4.1.1 成果概述
现有的大部分转捩模型，都是基于小扰动假设发展起来的，并过度依赖于标模实验数据进行系数标定，不适合于表征强压缩性、气动加热、强自由涡流、壁面缺陷、横流效应等复杂环境下的转捩过程。在高超声速、近地飞行、大迎角机动等工作环境下，飞行器绕流边界层的转捩过程一定会受到上述复杂因素的影响，使用现有的转捩模型将无法准确模拟，影响气动力/热预测的精准度，因此急需发展复杂环境下的新型转捩模型。群体成员在前期验证、改进了传统的转捩模式以及转捩准则，提高了其在高超声速、横流失稳等复杂条件下的计算准确性、拓广了其适用范围，但在不同扰动模态的时间尺度、间歇因子的输运特性等方面，仍然不能完全满足计算需求。
在实际飞行中，飞行器常常工作于强压缩性、气动加热环境、强自由涡流等复杂环境下；同时，飞行器表面实际上存在各种尺度的缺陷。在这些因素的影响下，边界层转捩将明显区别于传统的微小扰动线性放大过程，传统的线性分析方法失效。此外，横流和Görtler 涡等是可压缩转捩的典型失稳模态，在低速流动中发展出的转捩模型无力处理这类失稳/转捩问题。针对上述问题开展了如下研究：
① 研究自由涡流引起的旁路转捩机理，分析转捩过程中含能结构间的相互作用、再生及自维持机制，为发展相应的转捩预测模式提供依据；
② 研究壁面缺陷对边界层转捩的影响机理，重点关注壁面鼓包或凹槽处产生的流动结构在边界层内的演化发展过程，建立缺陷的几何尺度对转捩位置影响的经验关系式；
③ 基于间歇因子输运方程，发展可压缩转捩模型与转捩预测方法，研究强压缩性、复杂气动加热环境、横流模态、Görtler 涡失稳在内的多种转捩过程的物理机制，大幅提高高超声速可压缩边界层转捩的预测精度。
4.1.2 典型成果介绍
湍流边界层的经典理论——壁面律——由于没有表述湍流脉动量的变化，近二十年来一直是受国际关注的重要基础研究问题之一。对此，陈曦等创建了湍流有限耗散率理论，给出预测公式：
其中
指代的是流体脉动的统计平均量（如壁面摩擦阻力的脉动强度、最大能量耗散率、最大涡量脉动强度、最大压力脉动强度等），
是某有限取值，两者的差别满足普适的
标度律。按照这个公式，当雷诺数
时，湍流脉动在靠近壁面的各种极大值或者非零值都会收敛到有限值，见图。
上述理论对此前学术界的对数增长观点提出了挑战，已被流体力学顶级期刊JFM评选为2022年3月的“焦点”（Focus on Fluids, FOF），FOF评价陈曦等的理论“在物理直觉上合理”、“在数学分析上简明而有吸引力”、“是一项重要的”和“令人兴奋的进展”、“为湍流模型提供了雷诺数依赖的函数”、“为高质量的大雷诺数实验和计算带来了明确的动力”。
（a）流向耗散率 （b）展向耗散率
湍流能量耗散率极大值随雷诺数增加而增大，实线为陈曦等系列工作的理论预言，虚线是此前的对数增长模型
4.2 波系/涡系相互干扰的作用机制及流动控制
4.2.1 成果概述
飞行器进行大迎角飞行时，往往会伴随发生飞行器不可控的非指令动态运动，与这些动态飞行现象相对应的飞行器绕流表现为复杂的非定常流动分离以及复杂涡系的非线性时空演化。由于缺乏模拟大迎角流动/运动耦合现象的风洞实验装置和实验技术，包括本群体在内的国内外研究大都停留在大迎角静态情况下，对大迎角机动运动中所呈现的众多流动/运动非线性耦合行为缺乏规律性认识。研究大迎角动态机动过程中的涡系干扰机理，对实验/数值模拟均提出了很高的要求，需要发展风洞虚拟飞行技术、复杂动网格技术等。
高升力构型、鸭翼/主翼相互干扰、大迎角绕流等在逆压梯度作用下均会出现边界层分离现象，分离流在剪切不稳定作用下发展为旋涡结构，旋涡在固壁上方演化发展，成为此类分离流动的最主要流动结构，决定了流场和气动力的基本特性。旋涡的演化受到下方固壁边界层的制约，而边界层为外部旋涡的时空演化提供涡量源项和扰动来源，决定了旋涡演化的复杂性和多样性，常发生涡-涡、涡-波相互作用。对近距耦合鸭式布局而言，鸭翼-主翼的涡系与波系干扰将影响鸭式布局的气动力和操稳特性。对飞行器大迎角飞行而言，前体涡的非对称性将显著影响横航向稳定性。针对上述问题开展了如下研究：
① 针对鸭式布局非共面典型模型，研究鸭翼-主翼的涡系/波系干扰机理，观测复杂环境下的旋涡融合过程，发展旋涡融合与破裂的流动控制技术；
② 研究大迎角非对称涡的演化机理，掌握双稳态模式的出现条件和影响因素；研究非对称涡演化的马赫数效应，认识激波干扰对非对称涡的影响规律；使用微吹气扰动控制技术实现对双稳态非对称涡的主动控制。
4.2.2 典型成果介绍
孙茂等对自然界微小/极小昆虫飞行的机理开展研究，取得了以下成果：
① 发现典型微型昆虫丽蚜小蜂的新奇拍动方式，即“深U”型拍动。这与较大昆虫的翅膀近似在一个平面内拍动的情形完全不同；
② 揭示了新的气动力机制，即“快速划桨”机制。该机制的本质是用大加速度运动来产生非定常瞬态气动力，这比定常运动产生的气动力大很多，克服了小雷诺数下粘性效应大的问题；
③ 揭示了不同尺寸微型昆虫的拍动方式和气动力机制随尺寸的变化规律。随昆虫尺寸或雷诺数的减小，微型昆虫的翅尖轨迹将呈越来越深的U形，越来越依赖划桨机制来产生支持其体重的垂直力。
上述研究揭示了昆虫“微观世界”里的力学规律，使人们对昆虫飞行的认识更全面，同时为生物学家研究昆虫向微型化进化过程中的形态学、生理学、神经生物学等问题提供了力学依据。孙茂教授应邀于2023年在国际物理学权威综述期刊Reviews of Modern Physics发表极小昆虫飞行原理的综述论文。
“快速划桨”机制。
4.3 飞行器流动/运动/控制耦合的流动机理
4.3.1 成果概述
对变体飞行器的现有研究主要集中于多任务点气动布局优化设计，较少涉及到变体过程产生的非定常流动及其引起的非定常气动力，而后者直接影响变体过程中的稳定性和操纵性，也为变形结构设计提供边界条件，同时控制舵面偏转也会进一步影响流动的非定常性，因此非定常运动/流动/控制耦合是变体飞行器气动特性研究需要重点关注的基础性问题。研究飞行器变体过程中的非定常流动的主要困难是：如何准确预测/测量变体过程中的非定常气动力；如何将其与流场结构的动态演化过程相联系；控制舵面对非定常运动/流动的反馈作用如何模化等。研究的难点在于动态混合网格、流场与刚体运动耦合求解、动态流场的精细化测量等。
现代战斗机的高机动飞行、变体飞行等均是一个流动/运动/控制耦合的复杂问题。由运动边界引起的非定常流动，是其主要流态。流场的非定常性来自于运动边界，产生的非定常气动力反过来作用在运动边界上，给飞行控制带来很大影响。从飞行控制的角度，应当在气动布局设计时即考虑到流场的动态非定常效应，并在控制系统设计中进行有效补偿。但由于机体动态运动过程中往往伴随大范围的边界层分离，非定常涡造成的非定常气动力呈非线性，其与飞行姿态、机体运动方式、操纵面响应等存在强耦合，难以使用线化小扰动假设形成设计准则。由旋涡运动导致的非定常气动力是上述飞行器动态非定常流动中的共性问题，对此开展了如下研究：
① 研究大迎角下非对称非定常涡诱导的翼/身组合体单自由度摇滚特性与机理，建立多运动耦合的飞行器大迎角动态数学模型，发展抑制自由摇滚的主动流动控制技术；
② 研究双三角翼气动布局/翼身组合体气动布局做典型过失速机动动作时的非定常分离流动特性，分析不同运动参数对动态流场结构及气动特性的影响规律，发展微吹气、等离子激励等流动控制技术抑制非定常气动力；
③ 针对体飞行的非定常流动机理与控制，研究典型机翼不同时空尺度变形引起的流场非定常效应、流场结构演变和气动力性能变化机理，分析变形过程中非定常气动力的产生过程，并基于这些气动原理，对变形的几何尺寸和变体步骤进行优化。
4.3.2 典型成果介绍
航空航天飞行器的气动优化设计和选型/定型设计依赖于风洞试验，相关的复杂流场三维测试装备被美欧各国严格限制出口，缺乏针对复杂流场的三维测量技术，是制约我国高性能飞行器气动设计的瓶颈性问题。
王晋军、潘翀等，另辟蹊径，创造性地提出了仿复眼的单相机超视角三维成像的新原理，发明了能够实现超视角测量的单相机三维流场测量新技术，突破了多相机方案因同步性问题难以应用于高速流场测量的限制。相比国际上基于多相机的三维流场测量方案，将测量频率提高一个量级，实现了对高速、高动态复杂流场瞬态特性的精确测量。
该发明形成的8个系列产品已装备于中国空气动力研究与发展中心、中国航天空气动力技术研究院等多家单位的生产型风洞，打破了美欧在精细化流场测试装备上的封锁和垄断，有力提升了这些单位的风洞测试能力，被应用于某重点型号的边界层转捩、大迎角失速等气动试验科目，测量得到的精细化试验数据，为相关型号的外形定型和气动优化设计供了关键性支撑。该成果于2018年获国家技术发明二等奖。
该项研究进一步得到了装备发展部快速转化项目支持，针对高超声速飞行器研制的重大需求，发展了适合于高超声速风洞实验的高分辨率三维速度场测量技术，在国际上首次在生产型风洞中获得了马赫数6条件下复杂几何模型绕流三维速度场，发现了新的流动现象，有力地支撑了国家某重点型号研制。
激波反射与干扰问题研究
