超声速直管道内流的大涡模拟研究
发布时间：2021-06-06 05:03
超声速内流问题在航空航天领域具有重要的应用背景,并在流动物理研究方面具有重要的科学意义。本文以超燃冲压发动机的隔离段为背景,采用大涡模拟方法对几种不同的直管道内流问题进行了研究,包括直管道内的正激波串问题和斜激波系问题、恒定背压以及周期背压作用下直管道内的复杂流动问题。具体工作和研究成果如下:（1）研究了超声速直管道内流问题。合理模拟了实验中观测到的正激波串现象,系统分析了该问题中的若干基本流动现象,如正激波串、激波边界层相互作用以及流场非定常特性等。流场中激波结构和分离剪切层对湍流统计量具有明显的影响。结果表明,由于激波串的存在及其非定常特征,湍流强度以及湍动能在激波位置明显增强。同时激波的非定常振荡会导致压力脉动量的增大。对湍动能输运方程的分析表明,激波的非定常振荡以及分离剪切层对湍动能的生成具有明显的促进效应,而压力脉动输运方程的生成项显示激波是压力脉动生成的主要因素。进而研究了流场的非定常特性,通过对流场中的压力脉动场进行本征正交分解（POD）分析,发现流场中激波串的非定常振荡和剪切层的失稳脱涡是流场非定常特性的主要因素。（2）研究了超声速直管道内复杂流动现象和不同压力梯度下局...
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：156 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．２?等截面直管道中正激波与边界层相互作用的分类示意图（Ｉｋｕｉ?ｅ纟ａ／．，?１９７４，?１９８１；?Ｍａｔｓｕｏ??ｅｔ?ａ／．，?１９９９〇??
?ｏｔｈｅｒｗｉｓｅ??图３．３给出了经过一段时间发展的湍流边界层的平均流向速度经ｖａｎ?Ｄｒｉｅｓｔ变??换后的分布。根据前人结论（Ｓｉｎｉｔｓ?＆?Ｄｕｓｓａｕｇｅ，?２００６），在可压缩揣流边界层中，经??ｖａｎ?Ｄｒｉｅｓｔ变换后的平均速度在粘性底层（ｖｉｓｃｏｕｓ?ｓｕｂｌａｙｅｒ）的分布满足线性律（ｌｉｎｅａｒ??ｌａｗ），即?＝?ｚ＋，在对数律区（ｌｏｇａｒｉｔｈｍｉｃ?ｌａｙｅｒ）满足对数律（ｌｏｇ－ｌａｗ）关系，??＝?＋Ｉｎ＃＋?Ｃ。根据前人经验，湍流边界层沿壁面法向可划分为四个区域：粘性??底层（ｖｉｓｃｏｕｓ?ｓｕｂｌａｙｅｒ），缓冲层（ｂｕｆｆｅｒ?ｌａｙｅｒ），对数律区（ｌｏｇａｒｉｔｈｍｉｃ?ｌａｙｅｒ）和尾迹律??区（ｗａｋｅ?ｒｅｇｉｏｎ）?（Ｐｏｐｅ，?２０００）。其中前两个区域通称为边界层内层（ｉｎｎｅｒ?ｌａｙｅｒ），后??两个区域为边界层外层（ｏｕｔｅｒ?ｌａｙｅｒ）?（Ｐｉｒｏｚｚｏｌｉ?ｅｆｄ．，２００８）。粘性底层的分布区域大??－２３－??
所以对数率区的范围更小。从图中可以看出，我们的结果与前人结论吻合良??好，证明了入口湍流边界层合成的合理性。??为了验证当前计算结果的正确性，图３．４给出了实验与计算所得的壁面平均压力??分布以及中心线上平均马赫数分布的对比。实验数据来自Ｃａｒｒｏｌｌ?＆?Ｄｕｔｔｏｎ?（１９９２）的??结果，计算数据为时间和展向平均后的结果。从图中可以看出，计算所得的结果与??实验数据吻合良好，证明了计算的可靠性。同时，图中给出了不同网格分辨率下结??果对比，通过比较可知网格分辨率得到了有效地验证。同时，我们进一步对网格１??的柯氏尺度（Ｋｏｌｍｏｇｏｒｏｖ?Ｓｃａｌｅ）进行讨论。柯氏尺度（Ｋｏｌｍｏｇｏｒｏｖ?Ｓｃａｌｅ）的定义如下??３?７１??＾???Ｕｎｄｉｓｔｕｒｂｅｄ?ｂｏｕｎｄａｒｙ?ｌａｙｅｒ??２０?－?〇?２．４４１ｏｇｚ＋＋５．２??＋?〇?－?Ｅｘｐ．??１５?－?▲?Ｍｏｒｇａｎ?ＬＥＳ??－Ｊ??Ｑ?｜?＿＿Ｌｉ?ｉ?ｉ?ｉ?．?ｉ?ｉ?＿ｌ?ｉ?ｉ?１?ｉ?１?ｉ?．?ｉ?ｉ?ｉ?ｉ?ｉ?ｉ?ｉ?■?Ｉ?ｉ?ｉｉ?．ｉ＇ｌｌ??１０＇２?１０＇１?１０°?１０１?１０２?１?０３?１?０４??＋??ｚ??图３．３?揣流边界层ｖａｎ?Ｄｒｉｅｓｔ变换后的平均流向速度分布。??－２４－??
【参考文献】：
期刊论文
[1]Interaction between strain and vorticity in compressible turbulent boundary layer[J]. CHU You Biao,WANG Li,LU Xi Yun. Science China（Physics,Mechanics & Astronomy）. 2014(12)
[2]Ma5斜激波串动态特性实验研究[J]. 田旭昂,王成鹏,程克明. 推进技术. 2014(08)
[3]高超飞行器内流道激波振荡问题的数值研究及试验验证[J]. 郭善广,柳军,金亮,罗世彬. 实验流体力学. 2012(01)
[4]出口封闭的冲压发动机进气道激波振荡现象[J]. 孟宇鹏,朱守梅,闫晓娜. 推进技术. 2011(05)
[5]超燃冲压发动机隔离段非对称来流下激波串受迫振荡流动研究[J]. 曹学斌,张堃元. 空气动力学学报. 2011(02)
本文编号：3213663
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：156 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．２?等截面直管道中正激波与边界层相互作用的分类示意图（Ｉｋｕｉ?ｅ纟ａ／．，?１９７４，?１９８１；?Ｍａｔｓｕｏ??ｅｔ?ａ／．，?１９９９〇??
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所以对数率区的范围更小。从图中可以看出，我们的结果与前人结论吻合良??好，证明了入口湍流边界层合成的合理性。??为了验证当前计算结果的正确性，图３．４给出了实验与计算所得的壁面平均压力??分布以及中心线上平均马赫数分布的对比。实验数据来自Ｃａｒｒｏｌｌ?＆?Ｄｕｔｔｏｎ?（１９９２）的??结果，计算数据为时间和展向平均后的结果。从图中可以看出，计算所得的结果与??实验数据吻合良好，证明了计算的可靠性。同时，图中给出了不同网格分辨率下结??果对比，通过比较可知网格分辨率得到了有效地验证。同时，我们进一步对网格１??的柯氏尺度（Ｋｏｌｍｏｇｏｒｏｖ?Ｓｃａｌｅ）进行讨论。柯氏尺度（Ｋｏｌｍｏｇｏｒｏｖ?Ｓｃａｌｅ）的定义如下??３?７１??＾???Ｕｎｄｉｓｔｕｒｂｅｄ?ｂｏｕｎｄａｒｙ?ｌａｙｅｒ??２０?－?〇?２．４４１ｏｇｚ＋＋５．２??＋?〇?－?Ｅｘｐ．??１５?－?▲?Ｍｏｒｇａｎ?ＬＥＳ??－Ｊ??Ｑ?｜?＿＿Ｌｉ?ｉ?ｉ?ｉ?．?ｉ?ｉ?＿ｌ?ｉ?ｉ?１?ｉ?１?ｉ?．?ｉ?ｉ?ｉ?ｉ?ｉ?ｉ?ｉ?■?Ｉ?ｉ?ｉｉ?．ｉ＇ｌｌ??１０＇２?１０＇１?１０°?１０１?１０２?１?０３?１?０４??＋??ｚ??图３．３?揣流边界层ｖａｎ?Ｄｒｉｅｓｔ变换后的平均流向速度分布。??－２４－??
【参考文献】：
期刊论文
[1]Interaction between strain and vorticity in compressible turbulent boundary layer[J]. CHU You Biao,WANG Li,LU Xi Yun. Science China（Physics,Mechanics & Astronomy）. 2014(12)
[2]Ma5斜激波串动态特性实验研究[J]. 田旭昂,王成鹏,程克明. 推进技术. 2014(08)
[3]高超飞行器内流道激波振荡问题的数值研究及试验验证[J]. 郭善广,柳军,金亮,罗世彬. 实验流体力学. 2012(01)
[4]出口封闭的冲压发动机进气道激波振荡现象[J]. 孟宇鹏,朱守梅,闫晓娜. 推进技术. 2011(05)
[5]超燃冲压发动机隔离段非对称来流下激波串受迫振荡流动研究[J]. 曹学斌,张堃元. 空气动力学学报. 2011(02)
本文编号：3213663
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