中國空氣動力研究與發展中心陳堅強研究員團隊：高超聲速邊界層轉捩理論與控制

陳堅強，中國空氣動力研究與發展中心研究員，長期從事計算流體力學和高超聲速復雜流動機理研究，現為中國力學學會副理事長和中國空氣動力學學會副理事長，空天飛行空氣動力科學與技術全國重點實驗室主任。2021、2023年兩次入選中國科學院院士增選有效候選人名單，2024年獲中國航天基金會獎·錢學森杰出貢獻獎 。擔任國家數值風洞工程總設計師，主持國家重點研發計劃項目，在CFD算法開發、流體工業軟件研制和應用，以及高超聲速邊界層轉捩機理研究領域取得顯著成果。

自1883 年英國科學家Reynolds 發現轉捩和湍流現象至今已經歷了一個半世紀，人們對于流動穩定性和轉捩的認知逐漸深入，但由于轉捩路徑的多樣性，轉捩與湍流仍然是經典物理學中的世紀難題，具有重要的科學和工程研究價值。

高超聲速邊界層轉捩過程示意圖

影響邊界層轉捩的因素示意圖

轉捩的發生會造成邊界層摩阻、熱流上升3～5倍，是高超聲速飛行器氣動力/熱設計中關注的重點問題，而常規穩定性理論和轉捩預測方法已不能完全適應高超聲速流動，亟須發展完善。隨著高超聲速飛行器的設計更加精細化，飛行器外形愈加復雜，流動非平行性加強，穩定性分析方法需要從當地化向全局化發展。此外，由于高超聲速流動雷諾數高、流動特征尺度小，轉捩過程的計算和實驗都非常困難，真實來流環境下轉捩飛行測量數據更是極為稀少寶貴。這些因素都給高超聲速邊界層轉捩問題的研究帶來了新的挑戰。

升力體標模三維渲染效果圖

飛行工況下升力體中心線區域最不穩定模態的增長率和頻率分布及壓力形狀函數實部重構的模態空間結構

飛行工況下升力體下表面瞬時歸一化熱流分布及不同方法獲得的

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針對高超聲速邊界層轉捩研究的最新發展動向和趨勢，中國空氣動力研究與發展中心陳堅強研究員團隊近十年來深耕于該領域，發展了適應于三維復雜流動的高超聲速邊界層轉捩全局穩定性分析方法和轉捩預測模型；設計了外形全解析的三維升力體標模，可復現多種轉捩過程，優于國外同類標模；圍繞圓錐和升力體等典型轉捩標模開展了穩定性分析、直接數值模擬、風洞實驗和飛行試驗，完善了高超聲速邊界層轉捩的多手段融合研究體系，系統揭示了轉捩機理，并據此提出了相應的轉捩控制方法，實現了對高超聲速邊界層轉捩陣面的調控，服務于高超聲速飛行器的設計。相關研究成果已發表在本領域的多個權威期刊并得到國內外同行的廣泛正面引用；相關的轉捩標模、理論方法、預測模型和轉捩數據集等已在全國多家科研院所單位推廣使用，服務于航空航天重大項目的實施。

高超聲速邊界層轉捩理論與控制

陳堅強 等 著
北京: 科學出版社, 2025. 12

《高超聲速邊界層轉捩理論與控制》注重高超聲速邊界層轉捩的理論方法與工程應用的結合，系統總結了作者團隊近年來在高超聲速邊界層轉捩方面的研究工作。全書分為四部分，共6 章：

• 第一部分為研究背景、物理模型、數學理論等方面的介紹，由第1、2 章組成，其中第1 章為緒論，主要介紹高超聲速邊界層轉捩的基本概念、研究進展及存在的已知和未知挑戰；第2 章主要介紹高超聲速流動穩定性理論方法，包括特征值/初邊值問題、流動非平行性/非線性處理等方面的內容，構成了本書的基礎理論體系。

• 第二部分為高超聲速邊界層轉捩預測問題，由第3 章組成，主要討論現有的及作者團隊新發展的轉捩預測方法和模型，包括eN 轉捩預測方法、基于輸運方程的轉捩模型，以及基于人工智能的轉捩模型等。

• 第三部分為典型高超聲速邊界層轉捩問題研究，涉及理論分析、數值計算、風洞實驗和飛行試驗的綜合應用，由第4、5 章組成，其中第4 章圍繞圓錐邊界層展開，包括頭部感受性，附著線、橫流和流向渦失穩等；第5 章圍繞作者團隊自主設計的升力體標模展開，系統揭示其表面豐富的轉捩現象及背后的流動機理。

• 第四部分為高超聲速邊界層轉捩控制研究，由第6 章組成，主要討論不同類型的控制策略在高超聲速邊界層轉捩中的應用及效果，包括表面微槽、臺階、粗糙元等被動控制方法，以及微槽–吸氣主被動相結合的組合控制方法等。

本書的大部分研究工作是基于作者承擔的國家重點研發計劃(No.2016YFA0401200)、國家自然科學基金(No.92052301) 等各類項目。本書的編寫得到了作者團隊全體成員的支持，其中，陳曦、孫培成等參與了第2 章的寫作；向星皓、段茂昌等參與了第3 章的寫作；萬兵兵、陳曦、劉姝怡、段茂昌等參與了第4 章的寫作；陳曦、萬兵兵等參與了第5 章的寫作；胡偉波、黃文鋒、李曉虎、王昊鵬等參與了第6 章的寫作。

本文摘編自《高超聲速邊界層轉捩理論與控制》（陳堅強等著. 北京: 科學出版社, 2025. 12）一書“前言”，有刪減修改，標題為編者所加。

責任編輯：趙敬偉 郭學雯

本書總結了作者及研究團隊近十年來在高超聲速邊界層轉捩研究方面的最新研究工作。全書分為四部分，共6 章：第一部分為研究背景、物理模型、數學理論等方面的介紹，由第1、2 章組成，其中第1 章為緒論，主要介紹高超聲速邊界層轉捩的研究進展；第2 章介紹流動穩定性理論方法，包括特征值/初邊值問題、流動非平行性/非線性處理等。第二部分為高超聲速邊界層轉捩預測，由第3 章組成，討論現有的及作者團隊新發展的轉捩預測方法和模型。第三部分為典型高超聲速邊界層轉捩問題研究，由第4、5 章組成，其中第4 章圍繞圓錐邊界層展開，第5 章圍繞作者團隊自主設計的升力體標模展開。第四部分為高超聲速邊界層轉捩控制研究，由第6章組成，主要討論不同類型的轉捩控制方法的應用及效果。

本書可供流體力學、空氣動力學等相關專業的研究生閱讀，也可作為航空航天相關領域科技工作者的技術手冊和參考書。

（本文編輯：劉四旦）

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