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基于Fluent的γ-reθt模型高超声速适用性研究及修正

基于Fluent的γ-Reθt模型高超声速适用性研究及修正

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作者：杜育锋中北大学

学位级别：硕士

边界层转捩是许多流体力学家热衷的问题,研究转捩既有十分重要的学术意义,又有非常广泛的工程应用前景,而高超声速下的转捩问题更是“世界难题”。目前,转捩的预测方法有很多,但转捩模型凭借其低成本,高精度的优点一直是工程应用中最常... 详细信息

边界层转捩是许多流体力学家热衷的问题,研究转捩既有十分重要的学术意义,又有非常广泛的工程应用前景,而高超声速下的转捩问题更是“世界难题”。目前,转捩的预测方法有很多,但转捩模型凭借其低成本,高精度的优点一直是工程应用中最常见的。γ-re模型作为最经典成功的低速转捩模型一直吸引着国内外众多学者对其进行高超声速修正扩展。目前,国内大部分研究人员在对γ-re模型进行高超修正时,所依托的均是自研CFD软件平台,这使得其在开展模型高超修正前,还需对模型的低速性能进行校验,以确保对原始模型实现的准确性,这无疑增加了工作量,而且不具备统一性,相同的修正方法在不同的平台甚至会得到完全不同的结果。此外,在自研CFD软件平台改进该模型还限制了它的应用推广,这对很多CFD初学者以及没有转捩研究基础的学者是十分不友好的。本文以提高该模型在高超声速转捩预测中的应用为出发点,第一部分基于Fluent探究了高超声速条件下的数值计算方法,通过6马赫超燃冲压发动机排气喷管的流动算例进行了校验,结果表明本文所选数值方法的有效性且基于Fluent计算高超声速具有极高的精度。第二部分通过用户自定义函数(user-defined function,UDF)在商业软件Fluent中实现了三种典型的国内外γ-re模型的高超声速修正方法,并通过高超声速平板算例对它们基于Fluent平台的适用性进行了探究。结果表明可通过UDF提取经验参数变量实现γ-re模型的修正,三种修正方法中郝的模型适用性最佳。第三部分分析了典型的边界层转捩影响因素,探究边界层转捩机制,针对其中影响较大的自由流马赫数和壁温,重新进行了定量化分析,利用响应面法重新构造控制转捩起始位置的拟合关系式并通过UDF实现修正,最后通过高超声速尖双楔平板及圆锥对其适用性进行了验证。结果表明本文修正后的模型对高超声速下的分离诱导转捩有了明显改善,其模拟的壁面压力分布和热流分布都与实验值更加吻合,预测的分离泡的尺度和分离起始位置都比原始模型更加准确,但对三维的圆锥来说,修正的模型效果一般。

关键词：高超声速边界层转捩 γ-reθt模型 Fluent

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