膨胀效应对激波/湍流边界层干扰的影响

作     者：童福林 周桂宇 孙东 李新亮 TONG Fulin;ZHOU Guiyu;SUN Dong;LI Xinliang

作者机构：中国空气动力研究与发展中心空气动力学国家重点实验室绵阳621000 中国科学院力学研究所高温气体动力学国家重点实验室北京100190 中国空气动力研究与发展中心计算空气动力研究所绵阳621000 中国科学院大学工程科学学院北京100049 

出 版 物：《航空学报》 (Acta Aeronautica et Astronautica Sinica)

年 卷 期：2020年第41卷第9期

页      面：38-52页

核心收录：

学科分类：07[理学] 080103[工学-流体力学] 08[工学] 080104[工学-工程力学] 0802[工学-机械工程] 070102[理学-计算数学] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 0704[理学-天文学] 0701[理学-数学] 0812[工学-计算机科学与技术（可授工学、理学学位）] 0801[工学-力学（可授工学、理学学位）] 

基　　金：国家自然科学基金(11972356,91852203) 国家重点研发计划(2016YFA0401200) 

主　　题：激波/湍流边界层干扰 膨胀角 本征正交分解 物面剪切应力脉动 分离泡 直接数值模拟 

摘      要：采用直接数值模拟方法对来流马赫数2.9,30°激波角的入射激波与膨胀角湍流边界层干扰问题进行了数值研究。入射激波在壁面上的名义入射点固定在膨胀角角点,膨胀角角度分别取为0°、2°、5°和10°。通过改变膨胀角角度,考察了膨胀效应对干扰区内复杂流动现象的影响规律和作用机制,如分离泡、物面压力脉动特性、膨胀区湍流边界层和物面剪切应力脉动场等。研究发现,膨胀角角度的增大使得分离区流向长度和法向高度急剧降低,尤其是在强膨胀效应下分离泡形态呈现整体往下游偏移的双峰结构。物面压力脉动功率谱结果表明,膨胀角为2°和5°时,分离激波的非定常运动仍表征为大尺度低频振荡,而膨胀角为10°,强膨胀效应极大地抑制了分离激波的低频振荡,加速了下游再附边界层物面压力脉动的恢复过程。膨胀区湍流边界层雷诺剪切应力各象限事件贡献和出现概率呈现逐步恢复到上游湍流边界层的趋势,G?rtler-like流向涡结构展向和法向尺度变化剧烈,同时在近壁区将诱导生成大量小尺度流向涡。此外,物面剪切应力脉动场的本征正交分解分析指出,膨胀效应的影响体现在低阶模态能量的急剧降低从而使得高阶模态的总体贡献相对升高。