超声速膨胀角入射激波/湍流边界层干扰直接数值模拟
发布时间：2021-08-08 19:47
为了揭示膨胀效应对激波/湍流边界层干扰区内复杂流动现象的影响规律,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10°膨胀角湍流边界层相互作用问题进行了数值研究。系统地探讨了激波入射点分别位于膨胀角上游、膨胀角角点和膨胀角下游3种工况下膨胀角干扰区内若干基本流动现象,如分离泡、物面压力脉动及激波非定常运动、湍流边界层统计特性和相干结构动力学过程等。结果表明,激波入射点流向位置改变对分离区流向和法向尺度的影响显著,尤其是当激波入射点位于角点及其下游区域。研究发现,膨胀角干扰区内物面压力脉动强度急剧减小,分离区内压力波向下游传播速度将降低而在膨胀区内将升高,膨胀效应极大地抑制了分离激波的低频振荡运动。相较于入射激波与平板湍流边界层干扰,入射激波流向位置改变对膨胀角再附区速度剖面对数区及尾迹区影响显著,将导致其内层结构参数升高而外层降低,近壁区内将呈现远离一组元湍流状态的趋势。此外,流向速度脉动场本征正交分解分析指出,主模态空间结构集中在分离激波及剪切层根部附近而高阶模态以边界层内小尺度正负交替脉动结构为主。低阶重构流场结果表明,前者对应为分离泡低频膨胀/收缩过程而后者表征...
【文章来源】：航空学报. 2020,41(03)北大核心EICSCD
【文章页数】：20 页
【部分图文】：
图6 分离泡高度沿流向分布
如图1所示，计算模型为入射激波与平板/膨胀角湍流边界层的相互作用问题。气流方向为从左往右，坐标系原点取为膨胀角角点处，膨胀角为10°，入射激波的激波角为30°。Xin和Xup分别对应为入射激波在物面上的名义入射点和在上边界的入射点位置。通过改变计算域上边界中Xup的流向位置使得入射激波打在膨胀角壁面上不同的流向位置Xin。计算域流向长度为Lx=470mm，流向跨度为-363mm<x<107mm，其中平板区和膨胀区长度分别为363mm和107mm。法向高度为Ly=60mm，展向宽度为Lz=14mm。边界条件的设置具体如下。首先，计算域入口处（Inlet）取为相同来流下的层流解。为了消除扰动波反射对计算结果的影响，在计算域的出口处（Outlet）使用了超声速出口无反射边界条件及缓冲区。物面边界为无滑移和等温壁，展向取为周期性边界条件。在计算域的上边界，入射点Xup的左侧取为无反射自由来流边界（Non-reflecting），而在入射点Xup右侧的流动参数取为按照Rankine-Hugoniot关系式给出的波后值。此外，膨胀角上游的充分发展湍流边界层则是通过采用文献[26]中的壁面吹吸方法生成。在计算域层流入口下游的平板壁面（-335mm<x<-315mm）添加多频正弦波扰动促使流动发生转捩，随后在平板下游x=-60mm处获得充分发展的湍流边界层，采用的扰动幅值和频率均与文献[16-18]相同。具体来流条件如下：来流马赫数为Ma∞=2.9，基于单位长度的来流雷诺数为Re∞=5 581.4mm-1，来流静温为T∞=108.1K，壁面温度取为Tw=307K。计算的DNS工况分别为Case1～Case4，其中Case1为无膨胀情况下入射激波/平板湍流边界层干扰，Case2～Case4为膨胀角入射激波/湍流边界层干扰，其壁面上名义入射点位置Xin分别对应为膨胀角点上游、角点处以及角点下游3种工况。为了更好地揭示膨胀效应的影响，这里通过调整Xup将Case1和Case3的壁面入射点位置Xin均取为0,Case2和Case4的入射点Xin则分别取在角点上下游约δ的位置处（δ对应为上游参考点ref处的湍流边界层厚度，见图1）。各工况中其他DNS参数设置均完全相同。
DNS计算时，在经过两个无量纲时间（Lx/U∞）后流场达到统计定常状态，随后对瞬态场进行统计采样。总无量纲采样时间跨度约为500δ/U∞，物面压力脉动信号的采样间隔为0.06δ/U∞，共获得400个三维瞬态流场样本。如无特别说明，本文所指的平均定义为时间和展向平均。2 流场结构
【参考文献】：
期刊论文
[1]斜激波总压损失率极小值理论解与物理意义[J]. 史爱明,Earl HDOWELL. 航空学报. 2018(12)
[2]激波/湍流边界层干扰物面剪切应力统计特性[J]. 童福林,周桂宇,周浩,张培红,李新亮. 航空学报. 2019(05)
[3]超声速压缩拐角激波/边界层干扰动力学模态分解[J]. 童福林,李新亮,段焰辉. 航空学报. 2017(12)
本文编号：3330573
【文章来源】：航空学报. 2020,41(03)北大核心EICSCD
【文章页数】：20 页
【部分图文】：
图6 分离泡高度沿流向分布
如图1所示，计算模型为入射激波与平板/膨胀角湍流边界层的相互作用问题。气流方向为从左往右，坐标系原点取为膨胀角角点处，膨胀角为10°，入射激波的激波角为30°。Xin和Xup分别对应为入射激波在物面上的名义入射点和在上边界的入射点位置。通过改变计算域上边界中Xup的流向位置使得入射激波打在膨胀角壁面上不同的流向位置Xin。计算域流向长度为Lx=470mm，流向跨度为-363mm<x<107mm，其中平板区和膨胀区长度分别为363mm和107mm。法向高度为Ly=60mm，展向宽度为Lz=14mm。边界条件的设置具体如下。首先，计算域入口处（Inlet）取为相同来流下的层流解。为了消除扰动波反射对计算结果的影响，在计算域的出口处（Outlet）使用了超声速出口无反射边界条件及缓冲区。物面边界为无滑移和等温壁，展向取为周期性边界条件。在计算域的上边界，入射点Xup的左侧取为无反射自由来流边界（Non-reflecting），而在入射点Xup右侧的流动参数取为按照Rankine-Hugoniot关系式给出的波后值。此外，膨胀角上游的充分发展湍流边界层则是通过采用文献[26]中的壁面吹吸方法生成。在计算域层流入口下游的平板壁面（-335mm<x<-315mm）添加多频正弦波扰动促使流动发生转捩，随后在平板下游x=-60mm处获得充分发展的湍流边界层，采用的扰动幅值和频率均与文献[16-18]相同。具体来流条件如下：来流马赫数为Ma∞=2.9，基于单位长度的来流雷诺数为Re∞=5 581.4mm-1，来流静温为T∞=108.1K，壁面温度取为Tw=307K。计算的DNS工况分别为Case1～Case4，其中Case1为无膨胀情况下入射激波/平板湍流边界层干扰，Case2～Case4为膨胀角入射激波/湍流边界层干扰，其壁面上名义入射点位置Xin分别对应为膨胀角点上游、角点处以及角点下游3种工况。为了更好地揭示膨胀效应的影响，这里通过调整Xup将Case1和Case3的壁面入射点位置Xin均取为0,Case2和Case4的入射点Xin则分别取在角点上下游约δ的位置处（δ对应为上游参考点ref处的湍流边界层厚度，见图1）。各工况中其他DNS参数设置均完全相同。
DNS计算时，在经过两个无量纲时间（Lx/U∞）后流场达到统计定常状态，随后对瞬态场进行统计采样。总无量纲采样时间跨度约为500δ/U∞，物面压力脉动信号的采样间隔为0.06δ/U∞，共获得400个三维瞬态流场样本。如无特别说明，本文所指的平均定义为时间和展向平均。2 流场结构
【参考文献】：
期刊论文
[1]斜激波总压损失率极小值理论解与物理意义[J]. 史爱明,Earl HDOWELL. 航空学报. 2018(12)
[2]激波/湍流边界层干扰物面剪切应力统计特性[J]. 童福林,周桂宇,周浩,张培红,李新亮. 航空学报. 2019(05)
[3]超声速压缩拐角激波/边界层干扰动力学模态分解[J]. 童福林,李新亮,段焰辉. 航空学报. 2017(12)
本文编号：3330573
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