为什么用表面粗糙度可以控制超声速层流边界层转捩推迟发生?

    国外国防科技文献资料快报发表了一个新的发现，用表面粗糙度可以控制边界层转捩的发生，这样的办法可以代替，过去那些常被提到的成本高、效益差、维修困难大且其应用的速度和雷诺数范围也很有限的超声速机翼的层流控制方法，新的办法是通过表面粗糙度分布进行层流控制，已经获得了好的效果，可是他的原理是什么呢？

    大家都知道通过对机翼的层流控制可以有效地减小飞机的阻力，这包括通过翼型的压力分布设计和维持翼型表面光洁度的自然层流控制，使用吸气的人工层流控制，或两者皆有的混合层流控制等。但是这些方法除了成本高、效益差、维修困难外，其应用的速度和雷诺数范围很有限，特别对于超声速流场更是困难。最近一些空气动力学者找到了通过表面粗糙度分布进行超声速层流控制的方法，获得了好的效果。

粗糙度控制边界层转捩的发生主要应用于现代常用的大后掠机翼层流控制的横向流动的不稳定性问题。

  空气动力学者通过低速试验证实，利用接近流场附着线的合适分布的粗糙度可以控制横流的不稳定性，并使边界层层流化。提供的诱导粗糙度分布波长要低于临界值,并通过试验和计算的组合得出了一些设计准则。

  过去15年来，空气动力学者一直在努力设法控制以横流为主的后掠翼的边界层转捩，希望能在翼面维持更大范围的层流区，以减小阻力。但是由于面临的困难是横流不稳定性引起的很强的非线性特性，所以用线性方法来预测转捩，几乎是不可能的。

接着，空气动力学者转向对各种非线性现象的深入分析，研究出了影响后掠翼上转捩的几种基本不稳定因素和抑制转捩的方法。

第一种不稳定因素是表面凹曲度，它可以通过合适的剖面设计得到控制。

第二种是前缘半径和后掠度，它可以通过将前缘半径小于临界值来控制。

第三种是发生在弦中间区域的流向不稳定，包括在使用合适的压力梯度和将压力恢复区范围缩到最小时，都会对不稳定控制有影响；能稳定流向不稳定性的有利压力梯度也会使横流不稳定；用运动部件进行层流控制常常是阻碍后掠翼层流化的一些因素，有人建议用被动的稳定横流的非线性偏置，有可能克服最终的阻碍。

通过大量试验表明，转捩过程是静态横流波占优势，而在大扰动情况下，是行进波占优势，而行进波趋于破坏流层的静态结构。

从试验中发现,表面粗糙度是影响横流的另一个重要原因，如在美国亚利桑那州立大学,通过NLF（2）-0415自然层流翼型的45度后掠翼模型试验表明，通过将粗糙度的均方根值从3.3微米降到0.2微米，转捩获得了大的改善。而在雷诺数2.4×106的情况下，粗糙度的降低使转捩从45%弦长延到65%弦长。

空气动力学者还发现,小的三元粗糙度能使稳定的横流特性进一步向下游延伸。对一孤立的粗糙度元，最有效的粗糙元尺度约是最大振幅的静态横流波长的1/4。大量试验已经证实,在接近附着线处，使用被动粗糙度分布进行转捩控制是可能的。

实际应用的办法：

飞机以超声速作巡航飞行时，边界层的转捩对机翼流场仍然十分重要，对转捩的控制仍然是减小阻力的方向之一。在过去一直认为只有靠超声速层流翼型的设计和边界层吸气来控制，现在空气动力学家发现,可以通过粗糙度分布对超声速层流翼型进行层流控制，但必须以均匀加速流动为特征。

进一步的试验和分析表明，随着机翼后掠增加，有利的压力梯度将使横流很不稳定，而且下游的小的粗糙度不会影响边界层，只有在前缘区小的粗糙度才会对横流转捩有明显的的影响，所以粗糙度控制位置应在离前缘2%～5%弦长范围内。此外粗糙度的高度不能高于当地的用于边界层转捩的绊线高度。

试验验证的初步结果

美国亚利桑那州立大学(ASU)在0.2米超声速风洞对后掠角超过马赫角的机翼进行了层流控制的试验验证。设计的翼型在垂直前缘流动是亚声速，不出现激波，为的是将扰动环境降至最小，因为激波是产生涡脉动的重要原因。

模型是一个后掠73度的后掠翼，半展。翼型弦长为30厘米，翼型厚度为4%。上游粗糙元是一行直径0.75毫米、高度6微米、间隔为3毫米的粗糙粒子，并行于前缘放置，下面是直径0.5毫米、高度6微米、间隔为1.7毫米的一行粗糙元(控制的波长)。

试验结果表明，运用适当的粗糙元，层流区被后延最大可到80%。

试验也证明了，减小粗糙度尺寸能扩大层流的范围，从而表明在超声速流动中通过分布式粗糙度控制，可以使不稳定的边界层得以稳定，能实现大范围的层流。

研究结果还表明所用的计算工具能预测最不稳定的波长和选择控制层流所需粗糙度的间距，而且也验证了设计层流控制翼型的工具。今后进一步的工作将集中在用于层流控制的粗糙度直径和间隔的最佳化以及延伸到高雷诺数。

这个报道听起来很鼓舞人心，但是原理是什么？如何用数值计算来校合和改进上面说的办法？还希望听听同仁意见

另外，还想最后多一句嘴，在转捩的小尺度下，NS方程是否能够还能支持理论的分析，是否在现有理论不能解决的现象时需要引入拉格朗日方法，以便把小尺度下非牛顿流体的变形积累耗散考虑进去？

单位雷诺数的影响可能是开启转捩秘密大门的一把钥匙，如果谁有这方面的信息请和我联系，我们一起切磋。

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