近日，南方科技大学力学与航空航天工程系教授王建春课题组在高超声速升力体湍流边界层摩阻和热流的生成机理方面取得研究进展，相关成果以“Skin-friction and heat flux generation by wall-attached structures in hypersonic turbulent boundary layers over a lifting body”为题，在流体力学与航空航天期刊Aerospace Science and Technology发表。该研究结合基于Renard-Deck公式的壁面摩阻分解和总能量方程的热流分解，对高超声速转捩研究飞行器（HyTRV）模型的湍流边界层进行了研究分析。

摩擦阻力与气动加热是高超声速飞行器设计中需要重点考虑的问题，分别关系到飞行能耗与热防护需求。飞行器表面的湍流边界层是动量和能量输运的重要区域，其内部流动将影响壁面摩阻与热流的分布。因此，揭示这些壁面载荷的生成机制，是提高气动热环境预测可靠性、探索减阻降热途径的重要基础。

高超声速转捩研究飞行器的构型及参数设置如图1所示。高超声速飞行器表面的摩擦阻力和气动热载荷直接影响飞行器阻力、热防护设计和总体性能。对于真实飞行器构型，迎风面三维外形会诱导二次流和强烈的边界层非均匀性，使得壁面摩阻和热流的生成机制比平板、槽道等经典构型所对应的情况更加复杂。研究复杂升力体湍流边界层中动量与热流输运的主导结构，对于高超声速飞行器减阻降热和湍流模型发展具有重要意义。研究人员通过研究马赫数6、攻角2°条件下飞行器迎风面（𝝓=90-270°的区域，如图1）充分发展的湍流边界层，系统分析了不同区域摩擦阻力与热流的产生机制，进一步揭示了复杂曲面中的流动结构对摩阻和热流生成机制的影响。

图1.HyTRV模型头部和尾部的横截面及侧视图

研究发现，在HyTRV迎风对称面附近，流动从两侧汇聚并形成大尺度二次环流，增强了外层剪切层和Kelvin-Helmholtz的不稳定性，从而提高外层湍流强度；而远离迎风对称面的φ=140°子午面受二次流影响显著减弱，流动特征更接近经典零压力梯度平板湍流边界层，如图2。本研究通过比较这两个代表性区域，研究复杂外形诱导的二次流如何改变摩擦阻力和热流的生成机制。

图2.HyTRV迎风面X=1250 mm截面上的方位向平均速度及流线，显示迎风对称面附近的大尺度二次流

结果表明，雷诺应力项是壁面摩阻和热流生成的最主要贡献项。在迎风对称面附近，二次流显著增强了外层雷诺应力对摩擦阻力和热流的贡献；随着远离迎风对称面，外层贡献显著降低，主导贡献转向内层和对数区。沿流向发展时，尽管摩擦雷诺数增加，大尺度能量结构逐渐减弱，导致雷诺应力项对摩擦阻力和热流的贡献整体下降。

图3和图4分别给出了两个代表性子午面上壁面摩擦系数和热流系数沿流向的分布及其分解项。如图所示，在迎风对称面φ=180°附近，雷诺应力相关项对摩擦阻力和热流的贡献显著，但该贡献沿流向呈减弱趋势；在φ=140°子午面，二次流效应较弱，摩擦阻力和热流的空间演化更接近经典平板湍流边界层。

图3.φ=180°和φ=140°子午面内壁面摩擦系数Cf及其分解项沿流向的分布

图4.φ=180°和φ=140°子午面内壁面热流系数Ch及其分解项沿流向的分布

图5雷诺应力项按照内层、对数区和外层分区统计。研究人员进一步发现，迎风对称面附近以外层贡献为主，这与二次流诱导的大尺度外层结构增强效应有关；而在φ=140°子午面，外层贡献显著降低，内层和对数区贡献成为主要来源。这一对比说明，复杂构型诱导的二次流能够通过调制外层大尺度结构，显著改变摩擦阻力和热流的生成机制。

图5.雷诺应力项在内层、对数区和外层对壁面摩阻与热流的分区贡献

如图6所示，为进一步追踪雷诺应力贡献的结构来源，研究人员对密度加权雷诺剪切应力结构进行了识别和统计。结果显示，壁面附着负结构，即对应上抛和下扫运动的强脉动结构，对雷诺应力项贡献最为显著；壁面附着正结构贡献接近于零，壁面脱离结构的正、负贡献则大多相互抵消。壁面附着负结构起源于近壁区域并向边界层边缘延伸，其尺度可与边界层厚度相当，是连接近壁过程与外层大尺度运动的重要载体。定量分析表明，强脉动负结构占比仅约8%的体积，但对雷诺应力项贡献则大于体积占比约90%的背景湍流。其中，高度与边界层厚度相当的大尺度壁面附着负结构，占据壁面附着结构对雷诺应力项贡献的82.9%，约为平均摩擦阻力的42.7%；同时其占据壁面附着结构对热流雷诺应力项贡献的81.4%，约为平均热流的71.8%。这说明高超声速复杂构型中的少量强相干结构能够主导壁面动量和热流输运。

图6.迎风对称面附近瞬时流场中的壁面附着负雷诺剪切应力结构

本研究将高超声速升力体表面摩阻、热流的定量分解与湍流结构识别相结合，揭示了复杂外形诱导的二次流如何通过调制大尺度壁面附着结构，改变壁面动量与能量输运。研究表明，对壁面附近的摩阻和热流的揭示，不仅需要关注近壁流动，也需要考虑能够延伸至边界层外缘的大尺度结构及其与近壁过程的关联。少量强脉动结构的突出贡献，为理解复杂升力体表面摩阻与热流的空间差异提供了具体的物理依据，也为进一步认识两者之间的关联提供了结构层面的解释。这些发现可为复杂高超声速构型的湍流模型评估与改进提供参考，有助于判断模型能否合理反映二次流及外层大尺度结构对壁面载荷的影响。同时，研究识别出了对摩阻和热流贡献突出的流动结构及其作用区域，为后续探索更有针对性的流动控制途径提供了线索，有望为壁面摩阻与热流的精细化预测、热防护布局优化，以及兼顾减阻与降热需求的设计提供物理依据。

本论文第一作者为南方科技大学博士生陈源冬，合作者包括南方科技大学硕士生侯熙蒙、研究助理教授王小宁、深圳十沣科技有限公司张日葵。王建春为通讯作者，南科大为论文第一单位及通讯单位。该研究得到了国家自然科学基金委员会、深圳市重点实验室等项目支持。

论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1270963826009375

供稿：力学与航空航天工程系

主图：丘妍

通讯员：许馨文

编辑：任奕霏