天大力学团队在高速稀薄流壁面气动力热理论建模方面取得重要进展

2026-01-28

（通讯员：欧吉辉）准确、快速预测壁面气动力热量对于飞行器设计至关重要，近空间高超声速飞行器在跨越大气层飞行时受到稀薄气体效应的严重影响，使得飞行器表面气动力热的准确、高效预测面临挑战。近日，天大力学高超研究团队在壁面气动力热的理论建模方面取得重要进展，该工作在揭示高速稀薄流边界层非线性输运特性的基础上，建立了局部壁面压力、摩阻、热流的关联预测公式，可适用于不同绕流外形，对于临近空间壁面气动力热的快速预测具有很好的应用前景。该工作以“Correlation formulae for local momentum and heat transfer in hypersonic transitional flows”为题，以Rapids形式发表在《Journal of Fluid Mechanics》杂志上。

高速稀薄非平衡流动的输运特性及壁面气动力热预测一直以来都是流体力学界和航天工程部门关注的重难点问题之一，基于气体动理论的数值计算方法可以准确模拟稀薄气体流动，不过计算量通常很大；基于理论分析的解析模型简单高效，并能给出更深刻的物理认识，不过其一般适用于特定简化流动(如平板、驻点流动)。如何从理论分析的角度既深入认识高速稀薄流动的非平衡机理和非线性输运特性，又发展通用的预测模型是一个有趣且工程实用的问题。

对于近连续高超声速绕流，飞行器表面附近的边界层区域对于壁面气动力/热的准确预测尤为关键。该工作基于广义流体动力学方程分析了高超声速稀薄流边界层的非线性输运特性，给出了边界层内的主导输运关系式及刻画局部稀薄效应的非平衡参数，并据此建立了壁面局部压力、摩阻、热流的关联预测公式，一方面基于不同动理论模型讨论了所给出公式的普适性，另一方面基于典型外形绕流的实验数据和DSMC (Direct simulation Monte-Carlo)粒子模拟数据验证了其准确性。该公式实际上是通过解析函数建立了连续介质Navier-Stokes (NS)方法预测的局部壁面压力、摩阻、热流和真实值之间的桥梁，既可以用于修正经典理论解也可用于修正NS数值解，并且适用于不同外形的从上游到下游表面。该公式显著优势在于可以在仅获得连续流NS解(解析或数值)的基础上给出对早期稀薄过渡流壁面气动力/热量的准确预测，而无需求解矩方程或动理论方程，对于近空间壁面气动力热量的快速预测具有很好的应用前景，同时理论分析给出的非平衡参数和输运关系可用于指导机器学习，进一步发展更复杂通用的预测模型。