有局部稀薄气体效应的高超声速流动数值模拟
发布时间：2021-10-17 07:56
近空间高超声速飞行器当飞行高度和速度足够高时,其流场计算可能要考虑稀薄气体效应,传统的计算流体力学（CFD）方法预测的阻力和升阻比将不够准确。而现有的模拟稀薄气体流动的计算方法由于其计算量巨大,难以在工程实际中应用。因此需要发展能用于近空间高超声速飞行器流场的可行、可靠的计算方法。陈杰和赵磊在文献[1]中针对边界层中既有强剪切而气体分子自由程又相对较大的情况进行分析,提出了刻画此类局部稀薄效应的无量纲参数Zh,并提出了在传统CFD中通过采用依赖于Zh参数的等效黏性系数考虑局部稀薄效应对阻力计算影响的研究思路。因此,本文尝试将此等效黏性系数纳入CFD模型中,以在70km高空,以马赫数15飞行的小迎角钝平板为例,来检验计算方法是否合理可行。结果表明:和传统的CFD方法所得结果相比,新模型计算的阻力减小,升阻比增加,其改进的方向与现有飞行试验结果定性相符,且所增加的计算时间非常有限,可方便地应用于现有的计算空气动力学中。
【文章来源】：空气动力学学报. 2019,37(02)北大核心CSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
图１黏性修正系数ＡＺｈ随Ｚｈ数的变化Ｆｉｇ．１ＴｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎＡＺｈａｎｄＺｈ
而逐渐减小。另外，虽然图１的结果只显示出了修正系数对Ｚｈ的依赖关系，但是Ｃｏｕｅｔｔｅ流同时也存在很大的温度梯度与热流，实际上图１的结果也包含着热流对黏性系数的影响。因此作为初步尝试，可以将图１的规律用于ＣＦＤ计算看是否可以改进传统ＣＦＤ的结果。图１黏性修正系数ＡＺｈ随Ｚｈ数的变化Ｆｉｇ．１ＴｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎＡＺｈａｎｄＺｈ１．２计算模型与工况计算模型为钝平板，模型示意图如图２所示，其中ｘ、ｙ分别为沿轴向以及垂直于轴向，坐标原点选在钝头圆心处。点Ａ所示位置为钝平板前缘，ξ为从前缘沿壁面的贴体弧长，ＡＯＡ为迎角，Ｒｎ为有量纲圆头半径。在下文中，迎风面以及下平板指的是流场或平板对应ｙ＜０的区域，背风面以及上平板指的是流场或平板对应ｙ＞０的区域。本文计算了不同迎角、不同球头半径下马赫数１５、壁面温度为２０００Ｋ的工况，具体参数在表１列出。来流为７０ｋｍ高空气体，其物理参数为：Ｔ＊∞＝２１９．７Ｋ，ρ＊∞＝８．７５４×１０－５ｋｇ／ｍ３，μ＊∞＝１．４３７８×１０－５Ｐａ·ｓ，ｐ＊∞＝５．５２Ｐａ，Ｖ＊∞＝４４５６．６８ｍ／ｓ，Ｒｅ／Ｌ＊＝２７１３４／ｍ。图２计算模型示意图Ｆｉｇ．２Ｓｋｅｔｃｈｍａｐｏｆｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎｍｏｄｅｌ表１计算工况Ｔａｂｌｅ１Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ球头半径Ｒ＊ｎ／ｍｍ迎角
用六阶中心差分）计算得到的壁面摩擦系数与速度剖面比较的结果。其中ξ为沿壁面弧长，壁面摩擦系数计算式为：Ｃｆ＝τ＊ｗ０．５ρ＊∞Ｖ＊２∞（５）由图３可以看到，对于ＮＮＤ的计算结果，其背风面壁面摩擦系数和ｘ＊＝１ｍ处速度剖面与五阶ＷＥＮＯ的结果都吻合得很好。因此，在本文的计算工况中采用二阶ＮＮＤ格式可以很好的刻画黏性项，（ａ）背风面壁面摩擦系数沿壁面的分布（ｂ）背风面ｘ＊＝１ｍ处速度剖面图３Ｃａｓｅ１工况五阶ＷＥＮＯ与二阶ＮＮＤ计算结果比较Ｆｉｇ．３Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｏｆ５ｔｈ－ｏｒｄｅｒＷＥＮＯａｎｄ２ｎｄ－ｏｒｄｅｒＮＮＤｆｏｒＣａｓｅ１后面的计算都采用二阶ＮＮＤ格式进行计算。在ＣＦＤ中实施黏性修正的具体计算过程为：先用ＮＳ方法计算一段时间（不需要等到收敛），然后切换到ＮＳ－ＶＣ方法，在每一时间步，根据当时的流场，计算每一点的Ｚｈ值，得到相应的ＡＺｈ，据此修正每一点的黏性系数，沿时间推进直至收敛。实际上，ＮＳ方法和ＮＳ－ＶＣ方法的差别仅在于后者在每一步迭代后，需对所得流场的每一网格点计算Ｚｈ值，并据之对该处的黏性系数做修正，因此每一迭代步所需时间要增加约１７％。此外，在启动计算时，由于整个流场是从静止态开始，而边界条件则是给定值，所以在局部地方的剪切率会非常大，从而相应地该处的Ｚｈ值也很大，超出了可知的范围而无法运行。因此要先用ＮＳ
【参考文献】：
期刊论文
[1]高超声速流存在局部稀薄效应的一个判据及相应的流动特性[J]. 陈杰,赵磊. 空气动力学学报. 2018(01)
[2]空气动力学的新问题[J]. 周恒,张涵信. 中国科学:物理学 力学 天文学. 2015(10)
[3]连续流失效对近空间飞行器气动特性的影响[J]. 黄飞,张亮,程晓丽,沈清. 空气动力学学报. 2013(05)
[4]稀薄气体动力学:进展与应用[J]. 樊菁. 力学进展. 2013(02)
[5]阿波罗指令舱稀薄气体动力学特征的蒙特卡罗数值模拟[J]. 李志辉,吴振宇. 空气动力学学报. 1996(02)
[6]NND格式的推广及在粘流计算中的应用[J]. 邓小刚,张涵信. 空气动力学学报. 1994(02)
博士论文
[1]高超声速后掠钝板边界层横流定常涡失稳的研究[D]. 赵磊.天津大学 2017
本文编号：3441409
【文章来源】：空气动力学学报. 2019,37(02)北大核心CSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
图１黏性修正系数ＡＺｈ随Ｚｈ数的变化Ｆｉｇ．１ＴｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎＡＺｈａｎｄＺｈ
而逐渐减小。另外，虽然图１的结果只显示出了修正系数对Ｚｈ的依赖关系，但是Ｃｏｕｅｔｔｅ流同时也存在很大的温度梯度与热流，实际上图１的结果也包含着热流对黏性系数的影响。因此作为初步尝试，可以将图１的规律用于ＣＦＤ计算看是否可以改进传统ＣＦＤ的结果。图１黏性修正系数ＡＺｈ随Ｚｈ数的变化Ｆｉｇ．１ＴｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎＡＺｈａｎｄＺｈ１．２计算模型与工况计算模型为钝平板，模型示意图如图２所示，其中ｘ、ｙ分别为沿轴向以及垂直于轴向，坐标原点选在钝头圆心处。点Ａ所示位置为钝平板前缘，ξ为从前缘沿壁面的贴体弧长，ＡＯＡ为迎角，Ｒｎ为有量纲圆头半径。在下文中，迎风面以及下平板指的是流场或平板对应ｙ＜０的区域，背风面以及上平板指的是流场或平板对应ｙ＞０的区域。本文计算了不同迎角、不同球头半径下马赫数１５、壁面温度为２０００Ｋ的工况，具体参数在表１列出。来流为７０ｋｍ高空气体，其物理参数为：Ｔ＊∞＝２１９．７Ｋ，ρ＊∞＝８．７５４×１０－５ｋｇ／ｍ３，μ＊∞＝１．４３７８×１０－５Ｐａ·ｓ，ｐ＊∞＝５．５２Ｐａ，Ｖ＊∞＝４４５６．６８ｍ／ｓ，Ｒｅ／Ｌ＊＝２７１３４／ｍ。图２计算模型示意图Ｆｉｇ．２Ｓｋｅｔｃｈｍａｐｏｆｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎｍｏｄｅｌ表１计算工况Ｔａｂｌｅ１Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ球头半径Ｒ＊ｎ／ｍｍ迎角
用六阶中心差分）计算得到的壁面摩擦系数与速度剖面比较的结果。其中ξ为沿壁面弧长，壁面摩擦系数计算式为：Ｃｆ＝τ＊ｗ０．５ρ＊∞Ｖ＊２∞（５）由图３可以看到，对于ＮＮＤ的计算结果，其背风面壁面摩擦系数和ｘ＊＝１ｍ处速度剖面与五阶ＷＥＮＯ的结果都吻合得很好。因此，在本文的计算工况中采用二阶ＮＮＤ格式可以很好的刻画黏性项，（ａ）背风面壁面摩擦系数沿壁面的分布（ｂ）背风面ｘ＊＝１ｍ处速度剖面图３Ｃａｓｅ１工况五阶ＷＥＮＯ与二阶ＮＮＤ计算结果比较Ｆｉｇ．３Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｏｆ５ｔｈ－ｏｒｄｅｒＷＥＮＯａｎｄ２ｎｄ－ｏｒｄｅｒＮＮＤｆｏｒＣａｓｅ１后面的计算都采用二阶ＮＮＤ格式进行计算。在ＣＦＤ中实施黏性修正的具体计算过程为：先用ＮＳ方法计算一段时间（不需要等到收敛），然后切换到ＮＳ－ＶＣ方法，在每一时间步，根据当时的流场，计算每一点的Ｚｈ值，得到相应的ＡＺｈ，据此修正每一点的黏性系数，沿时间推进直至收敛。实际上，ＮＳ方法和ＮＳ－ＶＣ方法的差别仅在于后者在每一步迭代后，需对所得流场的每一网格点计算Ｚｈ值，并据之对该处的黏性系数做修正，因此每一迭代步所需时间要增加约１７％。此外，在启动计算时，由于整个流场是从静止态开始，而边界条件则是给定值，所以在局部地方的剪切率会非常大，从而相应地该处的Ｚｈ值也很大，超出了可知的范围而无法运行。因此要先用ＮＳ
【参考文献】：
期刊论文
[1]高超声速流存在局部稀薄效应的一个判据及相应的流动特性[J]. 陈杰,赵磊. 空气动力学学报. 2018(01)
[2]空气动力学的新问题[J]. 周恒,张涵信. 中国科学:物理学 力学 天文学. 2015(10)
[3]连续流失效对近空间飞行器气动特性的影响[J]. 黄飞,张亮,程晓丽,沈清. 空气动力学学报. 2013(05)
[4]稀薄气体动力学:进展与应用[J]. 樊菁. 力学进展. 2013(02)
[5]阿波罗指令舱稀薄气体动力学特征的蒙特卡罗数值模拟[J]. 李志辉,吴振宇. 空气动力学学报. 1996(02)
[6]NND格式的推广及在粘流计算中的应用[J]. 邓小刚,张涵信. 空气动力学学报. 1994(02)
博士论文
[1]高超声速后掠钝板边界层横流定常涡失稳的研究[D]. 赵磊.天津大学 2017
本文编号：3441409
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