綜述：高超聲速轉捩的最新進展

流體運動由流線規則、脈動量較小的層流狀態變化為流線紊亂、脈動量大的湍流狀態稱為轉捩現象。流體邊界層的層流-湍流轉捩現象是流體力學的核心問題，經過一個多世紀的探索，低速流動中的轉捩研究已較為成熟，但高速流動、特別是高超聲速流動(馬赫數大於5)的轉捩研究仍面臨艱巨挑戰。隨著臨近空間成為各國國防戰略角逐的中心，臨近空間高超聲速飛行器的研製對高超聲速邊界層轉捩的研究提出了更為迫切的需求。

在臨近空間飛行時，高超聲速飛行器面臨著來流空氣劇烈摩擦產生的氣動熱，為防止燒蝕需要在飛行器表面布置耐高溫的熱防護材料。而邊界層轉捩對氣動加熱有顯著的影響，準確理解和預測邊界層轉捩直接關係到熱防護系統的效率和飛行器的性能。因此，高超聲速轉捩研究是國際上高超飛行器設計的主要瓶頸，也一直是流體力學基礎與應用研究的焦點問題之一。

高超聲速靜風洞能夠提供與真實飛行相近的低雜訊來流實驗條件，是進行高超聲速轉捩機理研究和邊界層轉捩預測的關鍵設備，關於靜風洞的研製和實驗結果一直備受矚目。在高超聲速靜風洞中開展轉捩研究，需要發展高時空解析度的測試設備和相應的實驗技術，測試技術和設備條件的要求十分苛刻。

最近發表在National Science Review的文章「A review of recent progress in the study of transition in hypersonic boundary layer」（https://doi.org/10.1093/nsr/nwy052）總結了高超聲速邊界層轉捩研究的進展，特別介紹了北京大學高超聲速靜風洞在邊界層轉捩研究方面做出的貢獻；包括高超聲速靜風洞的設計、性能指標、相應的測試技術和進展，以及在靜風洞基礎上開展的轉捩機理研究的最新進展。

北京大學的李存標課題組先後建立並調試成功了世界上第三座、國內第一座高超聲速靜風洞以及世界上噴管出口直徑最大的高超聲速靜風洞(Ma 3-7, 噴管直徑Ф300 mm)。這兩座風洞的建立使我國具備了高超聲速飛行器轉捩試驗預測的能力，對高超飛行器的設計起到了不可替代的支撐作用。

課題組發展了相應的實驗技術，用於開展高超聲速邊界層轉捩問題的機理研究、支撐國家相關重大工程需求：(1) 利用溫敏漆技術獲得整個模型表面溫度分布信息，進而快速推斷出整個表面邊界層轉捩位置；(2) 開創性地拓展了近壁PIV技術，應用於測量Ma 6裙錐的近壁速度場，揭示了二次模態波耦合的脹壓過程對渦量場的影響；(3) 利用瑞利散射流動顯示技術，獲得了世界上首張完整的高超聲速邊界層轉捩過程圖像。

綜合運用實驗與數值模擬方法，課題組完整地揭示了邊界層轉捩之前氣動加熱尖峰出現的物理機制，為世界上首次。傳統上，熱防護系統設計主要關注邊界層轉捩完成後的氣動加熱問題，但課題組提出新的氣動加熱機制則指出在邊界層轉捩之前，二次模態波與其它模態相互作用導致的氣動加熱尖峰同樣不容忽略。這一發現對於高超聲速飛行器熱防護設計具有重要的理論價值。

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