Abstract The influence of localized nitrogen transpiration on second mode instabilities in a hypersonic boundary layer is experimentally investigated. The study is conducted using a $$7^\circ$$ 7 ∘ half-angle cone with a length of 1100 mm and small nose bluntness at $$0^\circ$$ 0 ∘ angle-of-attack. Transpiration is realized through a porous Carbon/Carbon patch of $$44 \times 82$$ 44 × 82 mm located near the expected boundary layer transition onset location. Transpiration mass flow rates in the range of 0.05–1% of the equivalent boundary layer edge mass flow rate were used. Experiments were conducted in the High Enthalpy Shock Tunnel Göttingen (HEG) at total enthalpies around 3 MJ/kg and unit Reynolds numbers in the range of $$1.4 \cdot 10^6 \,$$ 1.4 · 10 6 to $$6.4 \cdot 10^6 \, {\text {m}}^{-1}$$ 6.4 · 10 6 m - 1 . Measurements were conducted by means of coaxial thermocouples, Atomic Layer Thermopiles (ALTP), pressure transducers and high-speed schlieren. The present study shows that the most amplified second mode frequencies were shifted to lower values as nitrogen is transpired into the boundary layer. In some cases the instability amplitudes were found to be significantly reduced. The observed frequency reduction was verified to correlate with the change of the relative sonic line height in the boundary layer. The amplitude damping was observed to occur only until the most amplified frequencies were reduced to around 50% of their undisturbed values. When transpiration within this limit was performed shortly upstream of the natural boundary layer transition onset, a transition delay of approximately 17% could be observed. Graphic abstract

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蒸腾冷却对高超声速边界层中第二模态不稳定性影响的实验研究

摘要 通过实验研究了局部氮蒸腾对高超声速边界层中第二模态不稳定性的影响。该研究是使用 $$7^\circ$$ 7 ∘ 半角锥体进行的，长度为 1100 毫米，小鼻子钝度为 $$0^\circ$$ 0 ∘ 攻角。蒸腾作用是通过位于预期边界层过渡起始位置附近的 $44 \times 82 $$ 44 × 82 mm 的多孔碳/碳斑块实现的。使用等效边界层边缘质量流速的 0.05-1% 范围内的蒸腾质量流速。实验在高焓冲击隧道哥廷根 (HEG) 中进行，总焓约为 3 MJ/kg，单位雷诺数范围为 $1.4 \cdot 10^6 \,$$ 1.4 · 10 6 至 $$6.4 \cdot 10 ^6 \, {\text {m}}^{-1}$$ 6.4 · 10 6 m - 1 。测量是通过同轴热电偶、原子层热电堆 (ALTP)、压力传感器和高速纹影进行的。本研究表明，当氮蒸发到边界层时，放大最多的第二模式频率转移到较低的值。在某些情况下，发现不稳定幅度显着降低。观察到的频率降低被证实与边界层中相对声线高度的变化相关。观察到振幅阻尼仅在放大最多的频率降低到其未受干扰值的 50% 左右时才会发生。当此限制内的蒸腾作用在自然边界层过渡开始的上游不久进行时，可以观察到大约 17% 的过渡延迟。图形摘要 原子层热电堆 (ALTP)、压力传感器和高速纹影。本研究表明，当氮蒸发到边界层时，放大最多的第二模式频率转移到较低的值。在某些情况下，发现不稳定幅度显着降低。观察到的频率降低被证实与边界层中相对声线高度的变化相关。观察到振幅阻尼仅在放大最多的频率降低到其未受干扰值的 50% 左右时才会发生。当此限制内的蒸腾作用在自然边界层过渡开始的上游不久进行时，可以观察到大约 17% 的过渡延迟。图形摘要 原子层热电堆 (ALTP)、压力传感器和高速纹影。本研究表明，当氮蒸发到边界层时，放大最多的第二模式频率转移到较低的值。在某些情况下，发现不稳定幅度显着降低。观察到的频率降低被证实与边界层中相对声线高度的变化相关。观察到振幅阻尼仅在放大最多的频率降低到其未受干扰值的 50% 左右时才会发生。当此限制内的蒸腾作用在自然边界层过渡开始的上游不久进行时，可以观察到大约 17% 的过渡延迟。图形摘要 本研究表明，当氮蒸发到边界层时，放大最多的第二模式频率转移到较低的值。在某些情况下，发现不稳定幅度显着降低。观察到的频率降低被证实与边界层中相对声线高度的变化相关。观察到振幅阻尼仅在放大最多的频率降低到其未受干扰值的 50% 左右时才会发生。当此限制内的蒸腾作用在自然边界层过渡开始的上游不久进行时，可以观察到大约 17% 的过渡延迟。图形摘要 本研究表明，当氮蒸发到边界层时，放大最多的第二模式频率转移到较低的值。在某些情况下，发现不稳定幅度显着降低。观察到的频率降低被证实与边界层中相对声线高度的变化相关。观察到振幅阻尼仅在放大最多的频率降低到其未受干扰值的 50% 左右时才会发生。当此限制内的蒸腾作用在自然边界层过渡开始的上游不久进行时，可以观察到大约 17% 的过渡延迟。图形摘要 在某些情况下，发现不稳定幅度显着降低。观察到的频率降低被证实与边界层中相对声线高度的变化相关。观察到振幅阻尼仅在放大最多的频率降低到其未受干扰值的 50% 左右时才会发生。当此限制内的蒸腾作用在自然边界层过渡开始的上游不久进行时，可以观察到大约 17% 的过渡延迟。图形摘要 在某些情况下，发现不稳定幅度显着降低。观察到的频率降低被证实与边界层中相对声线高度的变化相关。观察到振幅阻尼仅在放大最多的频率降低到其未受干扰值的 50% 左右时才会发生。当此限制内的蒸腾作用在自然边界层过渡开始的上游不久进行时，可以观察到大约 17% 的过渡延迟。图形摘要 观察到振幅阻尼仅在放大最多的频率降低到其未受干扰值的 50% 左右时才会发生。当此限制内的蒸腾作用在自然边界层过渡开始的上游不久进行时，可以观察到大约 17% 的过渡延迟。图形摘要 观察到振幅阻尼仅在放大最多的频率降低到其未受干扰值的 50% 左右时才会发生。当此限制内的蒸腾作用在自然边界层过渡开始的上游不久进行时，可以观察到大约 17% 的过渡延迟。图形摘要