DIRECT NUMERICAL SIMULATION OF TURBULENCE ONSET IN SUPERSONIC BOUNDARY LAYER OVER A PARABOLIC PROFILE

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Laminar–turbulent transition in the boundary layer over a parabolic profile of a straight wing with a relative thickness of 10% is investigated. Freestream conditions correspond to the standard atmosphere at an altitude of 20 km and a Mach number of 3. Disturbances are introduced by a continuously operating blowing–suction actuator, which generates a relatively narrow initial frequency–wavenumber spectrum of perturbations. Direct numerical simulation is performed by solving the full unsteady compressible Navier–Stokes equations for a perfect gas. An analysis of mass-flux perturbations and their frequency–wavenumber spectra is carried out at various streamwise distances from the disturbance generator. The spatial distribution of the coherence function is presented.

About the authors

I. V Egorov

Moscow Institute of Physics and Technology (National Research University); Central Aerohydrodynamic Institute

Dolgoprudny, Russian Federation; Zhukovsky, Russian Federation

I. M Ilyukhin

Moscow Institute of Physics and Technology (National Research University); Central Aerohydrodynamic Institute

Email: ivan.ilyukhin@phystech.edu
Dolgoprudny, Russian Federation; Zhukovsky, Russian Federation

S. T Kalugin

Moscow Institute of Physics and Technology (National Research University)

Dolgoprudny, Russian Federation

References

  1. Fedorov A. Transition and Stability of High-Speed Boundary Layers // Annual Review of Fluid Mechanics. 2011. V. 43. P. 79–95. https://doi.org/10.1146/annurev-fluid-122109-160750
  2. Kachanov Y.S. Physical Mechanisms of Laminar-Boundary-Layer Transition. V. 26 / Y. S. Kachanov. Annual Reviews, 1994.
  3. Гапонов С.А., Маслов А.А. Развитие возмущений в сжимаемых потоках. Новосибирск : Наука, 1980. 144 с.
  4. Егоров И.В., Пальчековская Н.В. Численное моделирование восприимчивости сверхзвукового пограничного слоя к акустическим возмущениям в течениях сжатия и разрежения // Доклады РАН. Физика, Технические Науки. 2021. Т. 497.№1. С. 40–43. https://doi.org/10.31857/S2686740021020036.5
  5. Шубин К.В., Чувахов П.В. Взаимодействие акустических возмущений со сверхзвуковым пограничным слоем на плоской пластине // Известия Российской академии наук. Механика жидкости и газа. 2023. № 6. С. 3–13. https://doi.org/10.31857/S102470842260066X
  6. Чувахов П.В., Егоров И.В. Численное моделирование эволюции возмущений в сверхзвуковом пограничном слое над углом разрежения // Изв. РАН. Механика жидкости и газа. 2021.№5. С. 49–60. https://doi.org/10.31857/S0568528121050029
  7. Яцких А.А., Афанасьев Л.В. Численное моделирование эволюции локализованных возмущений от двух синхронных разнесенных источников в сверхзвуковом пограничном слое // Теплофизика и аэромеханика. 2022.№6. С. 923–934.
  8. Guo P., Hao J., and Wen C.-Y. Interaction and breakdown induced by multiple optimal disturbances in hypersonic boundary layer // Journal of Fluid Mechanics. 2023. V. 974. P. A50. https://doi.org/10.1017/jfm.2023.814
  9. Chuvakhov P.V., Ilyukhin I.M., and Fedorov A.V. Stability of supersonic boundary layer over an unswept wing with a parabolic airfoil // Theoretical and Computational Fluid Dynamics. 2024. V. 38.№1. P. 1–13. https://doi.org/10.1007/s00162-023-00680-z
  10. Moralev I. et al. Stochastic disturbances, induced by plasma actuator in a flat plate boundary layer // Physics of Fluids. 2022. V. 34.№5. P. 054117. https://doi.org/10.1063/5.0091894
  11. Косинов А.Д. и др. Экспериментальное исследование эволюции контролируемых возмущений в продольном вихре, порожденном в пограничном слое плоской пластины при числе Маха 2 // Прикладная механика и техническая физика. 2023. Т. 64.№4. С. 118–129. https://doi.org/10.15372/PMTF202215232
  12. Афанасьев Л.В., Ермолаев Ю.Г., Косинов А.Д., Кочарин В.Л., Семенов Н.В., Яцких А.А. Экспериментальное исследование структуры возмущений от двух импульсных источников в сверхзвуковом пограничном слое пластины // Изв. РАН. Механика жидкости и газа. 2023.№4. С. 27–36. https://doi.org/10.31857/S1024708423600070
  13. Redford J.A., Sandham N.D., and Roberts G.T. Numerical simulations of turbulent spots in supersonic boundary layers: Effects of Mach number and wall temperature // Progress in Aerospace Sciences. 2012. V. 52. Numerical simulations of turbulent spots in supersonic boundary layers. P. 67–79. https://doi.org/10.1016/j.paerosci.2011.08.002
  14. Егоров И.В., Новиков А.В., Чувахов П.В. Численное моделирование развития турбулентных пятен в сверхзвуковом пограничном слое на пластине // Математическое моделирование. 2022. Т. 34.№7. С. 63–72. https://doi.org/10.20948/mm-2022-07-04
  15. Чувахов П.В., Погорелов И.О. Источники турбулентности на прямом крыле сверхзвукового пассажирского самолeта // Математическое моделирование. 2022. Т. 34.№8. С. 19–37. https://doi.org/10.20948/mm-2022-08-02
  16. Egorov I.V., Palchekovskaya N.V. Numerical Simulation of the Nonlinear Stage of Laminar-Turbulent Transition in a Supersonic Boundary Layer in the Presence of Acoustic Disturbances // Journal of Engineering Physics and Thermophysics. 2025. https://doi.org/10.1007/s10891-025-03092-4
  17. Wagner A., Schu‥lein E., Petervari R., Hannemann K. et al. Combined free-stream disturbance measurements and receptivity studies in hypersonic wind tunnels by means of a slender wedge probe and direct numerical simulation // Journal of Fluid Mechanics. 2018. V. 842. P. 495–531. https://doi.org/10.1017/jfm.2018.132
  18. Afanasev L.V., Kosinov A.D., and Semionov N. About the Relationship between Disturbances in a Free Supersonic Flow and Disturbances in a Boundary Layer at Mach Number 2 // Siberian Journal of Physics. 2020. V. 15. № 2. P. 50–60. https://doi.org/10.25205/2541-9447-2020-15-2-50-60
  19. Borodulin V.I., Kachanov Y.S., and Roschektayev A.P. Experimental detection of deterministic turbulence // Journal of Turbulence. 2011. V. 12.№23. P. 1–34. https://doi.org/10.1080/14685248.2011.573792
  20. Borodulin V.I., Kachanov Y.S. On properties of the deterministic turbulence and reproducibility of its instantaneous and statistical characteristics // Theoretical and Applied Mechanics Letters. 2014. V. 4. № 6. P. 062004. https://doi.org/10.1063/2.1406204
  21. Wu X. New Insights into Turbulent Spots // Annual Review of Fluid Mechanics. 2023. V. 55.№1. P. 45–75. https://doi.org/10.1146/annurev-fluid-120720-021813
  22. Kneer S., Guo Z., Kloker M.J. Control of laminar breakdown in a supersonic boundary layer employing streaks // Journal of Fluid Mechanics. 2022. V. 932. P. A53. https://doi.org/10.1017/jfm.2021.1047
  23. Trefethen L.N. et al. Hydrodynamic Stability Without Eigenvalues // Science. 1993. V. 261. № 5121. P. 578–584. https://doi.org/10.1126/science.261.5121.578
  24. Илюхин И.М., Егоров И.В. Формирование турбулентного пятна в сверхзвуковом пограничном слое на параболическом профиле // Прикладная механика и техническая физика, 2025. №2. C. 96–109.
  25. Башкин В.А., Егоров И.В. Численное моделирование динамики вязкого совершенного газа. М.: Физматлит, 2012. 372 с.
  26. Егоров И.В., Новиков А.В. Прямое численное моделирование ламинарно-турбулентного обтекания плоской пластины при гиперзвуковых скоростях потока //Журнал вычислительной математики и математической физики. 2016. Т. 56.№6. С. 1064–1081. https://doi.org/10.7868/S0044466916060120
  27. Новиков А.В. Численное моделирование устойчивости и ламинарно-турбулентного перехода в гиперзвуковом пограничном слое : диссертация ... д-ра ф.-м. наук: 01.02.05.Жуковский, 2017. 229 с.
  28. Jiang G.-S., Shu C.-W. Efficient Implementation of Weighted ENO Schemes // Journal of Computational Physics, 1996. Vol. 126(1). P. 202–228. https://doi.org/10.1006/jcph.1996.0130
  29. Roe P.L. Approximate Riemann solvers, parameter vectors, and difference schemes // Journal of Computational Physics, 1981. Vol. 43.№2. P. 357–372. https://doi.org/10.1016/0021-9991(81)90128-5
  30. Saad Y., Schultz M.H. GMRES: A Generalized Minimal Residual Algorithm for Solving Nonsymmetric Linear Systems // SIAM Journal on Scientific and Statistical Computing, 1986. V. 7. №3. P. 856–869. https://doi.org/10.1137/0907058
  31. Чувахов П.В., Погорелов И.О., Шубин К.В. Универсальный подход к анализу диссипативных свойств численного метода решения уравнений газодинамики // Журнал вычислительной математики и математической физики. Т. 63.№9. С. 1554–1563.
  32. Harris C.R. et al. Array programming with NumPy // Nature. 2020. V. 585.№7825. P. 357–362. https://doi.org/10.1038/s41586-020-2649-2
  33. Chang C.-L., Malik M.R. Oblique-mode breakdown and secondary instability in supersonic boundary layers // Journal of Fluid Mechanics. 1994. V. 273. P. 323–360. https://doi.org/10.1017/S0022112094001965
  34. Afanasiev L.V. et al. On the Methodology for Estimating the Relationship of Disturbances Using Digital Signal Processing in Relation to Measurements in Supersonic Flows // Siberian Journal of Physics. 2023. V. 17. № 4. P. 58–71. https://doi.org/10.25205/2541-9447-2022-17-4-58-71

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных

 

Используя сайт https://journals.rcsi.science, я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных») даю согласие на обработку персональных данных на этом сайте (текст Согласия) и на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика» (текст Согласия).