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超声速边界层转捩拟序结构大涡模拟

宇航学报 2006年第3期27卷 498-502页

作者：潘宏禄马汉东王强航天空气动力技术研究院北京100074

针对超声速边界层转捩问题,以五阶迎风和六阶对称紧致格式数值求解三维可压缩滤波Navier-Stokes方程,对马赫数4.5,雷诺数10000的空间发展超声速平板边界层的谐波扰动转捩问题进行了大涡模拟。时间推进采用紧致存储三阶Runge-Kutta方法,... 详细信息

针对超声速边界层转捩问题,以五阶迎风和六阶对称紧致格式数值求解三维可压缩滤波Navier-Stokes方程,对马赫数4.5,雷诺数10000的空间发展超声速平板边界层的谐波扰动转捩问题进行了大涡模拟。时间推进采用紧致存储三阶Runge-Kutta方法,亚格子尺度模型为修正Smagorinsky涡粘性模型。通过入口叠加一对线性最不稳定第一模态斜波扰动的方法,得到了从线性/弱非线性扰动增长、交替Λ涡结构出现到演化为发卡涡的转捩过程;针对剪切层结构等现象,给出了该转捩拟序运动的详细讨论。比较显示,转捩结构及摩擦系数曲线等同理论分析吻合。

关键词：超声速边界层转捩拟序结构大涡模拟

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超声速边界层中的模态转换及壁温影响效应

空气动力学学报 2020年第6期38卷 1056-1063,I0001页

作者：苏彩虹宋明真天津大学机械学院高速空气动力学研究室天津300072

对于马赫数大于4的超声速边界层,Mack第二模态起主导作用。根据感受性的研究,生成第二模态的一个重要途径是,边界层内的快模态在下游演化过程中因相速度“同步”而发生模态转换。采用数值方法研究了超声速平板边界层中快模态到第二模态... 详细信息

对于马赫数大于4的超声速边界层,Mack第二模态起主导作用。根据感受性的研究,生成第二模态的一个重要途径是,边界层内的快模态在下游演化过程中因相速度“同步”而发生模态转换。采用数值方法研究了超声速平板边界层中快模态到第二模态波的模态转换过程,通过定义模态转换系数和模态转换区间,建立了适用于多个不同壁面温度条件下的模态转换系数和转换区间与扰动频率之间的模型公式。在此基础上,基于线性稳定性理论,发展了包含模态转换过程的扰动演化的计算方法,并采用抛物化稳定性方程进行了验证。结果表明,在较广泛的壁面温度条件下,该方法可以准确计算包含快模态到第二模态转换过程的幅值演化。该方法由于考虑了第二模态的生成机制,比原有的基于线性理论的转捩预测方法更加具有物理依据。

关键词：模态转换第二模态感受性超声速边界层转捩预测

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小扰动在二维超声速边界层中的弱非线性传播

航空学报 2009年第9期30卷 1635-1640页

作者：涂国华袁湘江毛枚良陆利蓬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四川绵阳621000 天津大学天津市现代工程力学重点实验室天津300072 中国航天空气动力技术研究院北京100074 北京航空航天大学能源与动力工程学院北京100191

采用非线性抛物化稳定性方程(PSE)研究了非平行边界层的弱非线性稳定性。通过在流向采用一阶向后差分,法向采用四阶中心差分,并用预估-校正迭代来耦合非线性项,发展出了求解非线性PSE的数值方法。研究了不同幅值扰动及其高倍谐波的演化... 详细信息

采用非线性抛物化稳定性方程(PSE)研究了非平行边界层的弱非线性稳定性。通过在流向采用一阶向后差分,法向采用四阶中心差分,并用预估-校正迭代来耦合非线性项,发展出了求解非线性PSE的数值方法。研究了不同幅值扰动及其高倍谐波的演化情况,发现随着基频扰动幅值的增大,高倍谐波可能失稳,而且失稳的位置会随着基频扰动的增大而向上游移动。通过观察涡量的发展可以发现涡破碎现象。算例与Navier-Stokes方程的直接数值模拟(DNS)结果作了比较,初步检验了其正确性。

关键词：抛物化稳定性方程非线性非平行流超声速边界层

MHD控制超声速边界层的理论研究和数值分析

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力学学报 2010年第4期42卷 782-788页

作者：苏纬仪陈立红张新宇中国科学院力学研究所高温气体动力学重点实验室北京100190

对MHD(mechanisms of magnetohy drodynamics)控制超声速平板湍流边界层的机理进行了理论研究和数值模拟.理论上,采用等离子体低频近似碰撞频率模型,建立等离子体中电子和离子的力平衡方程,得到等离子体速度、极化电场以及边界层速度.... 详细信息

对MHD(mechanisms of magnetohy drodynamics)控制超声速平板湍流边界层的机理进行了理论研究和数值模拟.理论上,采用等离子体低频近似碰撞频率模型,建立等离子体中电子和离子的力平衡方程,得到等离子体速度、极化电场以及边界层速度.数值上,通过空间HLLE格式、LU-SGS时间推进求解时均磁流体动力学湍流方程,其中湍流模型采用sst-kω双方程模型.研究结果表明:(1)边界层速度的理论结果和数值结果误差在7%范围内;(2)只有磁场而电场为零时,洛仑兹力起到减小摩阻的作用.施加电场后,洛仑兹力能够加速边界层低速区流体;(3)在边界层外层,越靠近壁面,作用参数越小;而在边界层近壁区黏性底层,虽然惯性力减小,但黏性力却迅速增加,因此越靠近壁面,作用参数反而越大,加速低速流的代价增加.

关键词： MHD流动控制边界层加速低频近似超声速边界层

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超声速边界层中小幅值T-S波的数值研究

应用数学和力学 2000年第12期21卷 1211-1214页

作者：袁湘江周恒天津大学力学系

对来流马赫数Ma∞ =4 5的平板边界层中 ,幅值A分别为来流速度的 0 0 1,0 0 0 1,0 0 0 0 1倍的扰动波传播的物理过程进行了直接数值模拟·　计算采用 NND格式·　模拟中发现即使扰动幅值尚小时 ,流场中即已出现小激波·

关键词：直接数值模拟小激波超声速边界层超声速流动 T-S波幅值

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超声速边界层抽吸孔隙流场结构研究

超声速边界层抽吸孔隙流场结构研究

作者：赵健国防科学技术大学

学位级别：硕士

边界层抽吸在控制边界层发展、降低激波边界层干扰、抑制边界层分离上作用明显,是目前能够应用于超/高超声速进气道最为简单、现实和可靠的流动控制手段。在工程应用中比较常见,但目前有关壁面抽吸孔隙附近流场结构的研究并不深入,因此... 详细信息

边界层抽吸在控制边界层发展、降低激波边界层干扰、抑制边界层分离上作用明显,是目前能够应用于超/高超声速进气道最为简单、现实和可靠的流动控制手段。在工程应用中比较常见,但目前有关壁面抽吸孔隙附近流场结构的研究并不深入,因此开展相应的研究对于明晰抽吸的内在机理,寻求最佳抽吸方案有着重要意义。本文通过试验与数值计算相结合的方式对壁面孔隙边界层抽吸的流场结构开展了系统深入的研究。在数值计算方面,对不同工况、不同形状的抽吸孔隙流场结构开展了研究,提取了性能参数,同时总结了规律。在试验方面,设计加工了抽吸腔反压可调,抽吸槽尺寸可变,抽吸流量可测,同时可进行光学测量的试验装置及相关系统试验部件,然后利用NPLS、纹影两种流动显示技术得到了不同工况下的抽吸槽附近局部流场结构,同时还使用音速喷嘴测量了试验过程中的抽吸流量。首先,本文通过对数值计算结果的分析,按照抽吸槽内气体流速将超声速边界层抽吸分为三类:亚声速型抽、临界声速型抽吸、超声速型抽吸。对不同抽吸类型的流场结构及音速流量系数随流场参数变化情况开展的研究表明,各个流场参数对流场结构的影响是相互耦合的,且不同的抽吸类型其影响机制有所差异。根据抽吸槽内分离区的形状差异定义了两种抽吸槽内分离区形状:开口和闭口。具体抽吸槽内分离区处于何种状态取决于抽吸槽深宽比以及抽吸腔反压。其次,试验方面通过NPLS流动显示技术获得了抽吸槽附近局部精细流场结构,分析了不同抽吸腔反压时抽吸槽内流场结构的发展过程,同时通过对纹影技术所得抽吸槽附近局部流场结构的分析,进一步剖析了流场结构随流场参数的变化情况。另外试验测量了不同工况下的抽吸质量流量,最后通过与数值计算结果的对比分析对数值计算方法进行了验证。再者,对不同构型的三维抽吸孔隙开展了数值计算,包括横向槽、纵向槽、三角孔、圆孔及多孔排列情况。对不同抽吸孔隙的流场结构特点进行了分析,并结合音速流量系数对抽吸性能进行了对比分析。结果表明,不同构型的抽吸孔隙其流场结构组成部分相同,分布情况相似但各有特点,抽吸性能也各有所异。三角孔与纵向槽的抽吸性能明显强于横向槽,另外三角孔抽吸性能强于纵向槽。研究表明,抽吸孔隙内流场三维效应越强,抽吸性能越强。研究结果不仅具有较强的工程实用价值,同时对超声速进气道中抽吸装置的设计具有重要指导意义最后,选取超声速进气道简化构型布置一系列抽吸槽,研究了不同激波入射位置时抽吸槽附近流场结构,包括节流工况和非节流工况。另外在抽吸腔内布置中心隔板开展了相应的工作,研究结果表明,抽吸槽抽吸能力与入射激波位置、抽吸腔出口节流情况以及抽吸腔内中心隔板密切相关。

关键词：超声速边界层抽吸流场结构流量系数

超声速边界层的模态转换及转捩预测方法的改进

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超声速边界层的模态转换及转捩预测方法的改进

作者：宋明真天津大学

学位级别：硕士

超声速边界层的转捩预测一直是高速飞行器气动设计关心的重要问题。从扰动生成的角度来看,边界层的主导模态—第二模态,是由上游边界层中的快模态或慢模态在向下游的演化过程中通过模态转换生成的。本文以马赫数为4.5的超声速平板边界... 详细信息

超声速边界层的转捩预测一直是高速飞行器气动设计关心的重要问题。从扰动生成的角度来看,边界层的主导模态—第二模态,是由上游边界层中的快模态或慢模态在向下游的演化过程中通过模态转换生成的。本文以马赫数为4.5的超声速平板边界层为研究对象,采用直接数值模拟(DNS)、抛物化稳定性方程(PSE)、线性稳定性理论(LST)等方法分别对边界层中快/慢模态与第二模态的模态转换过程进行了研究。通过定义“模态转换系数”,探讨了不同位置处的快、慢模态在下游激发第二模态波的模态转换效率,分析了模态转换所需的流向尺度,即模态转换区间,并分别建立了考虑壁面温度条件的模态转换系数与模态转换区间的计算模型。现有的基于线性稳定性理论的转捩预测方法,因忽略非平行性,无法描述从快模态或慢模态到第二模态的转换过程,本文基于模态转换系数和对模态转换区间的认识,对转捩预测方法进行了修正,使之能够考虑模态转换的影响。通过研究,具体得到以下结论:1.边界层中的快、慢模态在同步点附近通过模态转换激发第二模态不稳定波,PSE方法可准确地描述这一过程。在中性点前不同流向位置处引入快/慢模态,第二模态不稳定波的激发效率不同。研究发现,在中性点前某个流向位置处引入快/慢模态,模态转换系数最大。此外,当扰动入口位置一定,存在着一个最优频率,该频率下的扰动对应的模态转换系数最大。2.研究发现,模态转换区间,即快/慢模态到第二模态的转换所发生的流向区域与当地雷诺数的-2/3次方成正比。壁面温度条件对模态转换区间有影响,但其与频率和当地雷诺数的规律不变。3.利用模态转换系数和模态转换区间,可将原有的e-N方法从只积分第二模态波,扩展到考虑上游边界层内快/慢模态对第二模态波的激发过程。并采用PSE方法对改进后的转捩预测方法进行了验证。修正后的方法考虑了第二模态波生成的过程,比原有的方法具有更多的物理依据。

关键词：超声速边界层模态转换第二模态转捩预测 e-N方法

超声速边界层中壁面抽吸对流动分离的抑制作用

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气体物理 2019年第2期4卷 17-29页

作者：董明赵慧勇天津大学高速空气动力学研究室天津300072 中国空气动力研究与发展中心四川绵阳621000

当超声速或高超声速来流经过压缩折角时,由于壁面的位移效应,折角附近往往出现较强的逆压梯度,进而很可能导致流动分离,并伴随着激波与边界层干扰问题的出现.在工程应用中,流动分离会带来诸多不利因素.一个抑制流动分离的有效措施是在... 详细信息

当超声速或高超声速来流经过压缩折角时,由于壁面的位移效应,折角附近往往出现较强的逆压梯度,进而很可能导致流动分离,并伴随着激波与边界层干扰问题的出现.在工程应用中,流动分离会带来诸多不利因素.一个抑制流动分离的有效措施是在折角的上游引入定常的壁面抽吸单元.基于大Reynolds数渐近理论框架下的三层结构理论,文章研究了壁面抽吸抑制层流边界层分离的机理.研究发现,只要抽吸元被安置在折角上游O(R-3/8L)范围内,决定抑制效果的关键参数是抽吸的流量,而与抽吸元的位置无关;同时改变抽吸元的宽度和抽吸速度而保持抽吸流量不变并不影响其对分离区的抑制效果.

关键词：超声速边界层抽吸分离压缩折角三层结构

超声速边界层中快、慢模态对第二模态波的激发

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超声速边界层中快、慢模态对第二模态波的激发