高超声速2:1椭圆锥边界层的稳定性特征及扰动演化

发布时间：2018-12-19 17:05

【摘要】：高超声速飞行器的研制一直是航空航天领域的热门,边界层转捩位置的预测是其中的研究重点和难点之一。以往对高超声速边界层转捩的研究多集中在平板或圆锥等二维边界层,而新型高超声速飞行器的设计中一般采用乘波体外形,这类外形的流场大多是三维边界层。HIFiRE-5是美国和澳大利亚联合进行的国际高超声速飞行实验项目第五次飞行计划中,专门为研究三维边界层的转捩而设计的飞行器外形,它是一个长短轴之比为2:1的椭圆锥模型,该模型更贴近工程实际。本文针对HIFiRE-5椭圆锥模型,研究高超声速三维边界层的稳定性特征、扰动演化特征及转捩预测。本文计算了与风洞实验工况相同的椭圆锥模型的基本流流场,分析了流场的三维特性,并与轴对称的圆锥流场进行了比较。用LST方法全面分析了椭圆锥边界层主要区域的稳定性特征,用eN方法对转捩位置进行预测,并与风洞实验的结果进行了对比。对椭圆锥短轴附近的流向涡结构,进行了全局稳定性分析。最后,用数值模拟的方法计算了HIFiRE-5椭圆锥边界层中扰动波的演化,与理论结果进行了比较,还计算了行进波和定常涡扰动的非线性演化。所得主要结论如下:1、椭圆锥边界层存在横流速度,为典型的三维边界层,短轴附近存在流向涡结构。流向涡的展向宽度沿流向基本不变,但边界层厚度在展向变化比较剧烈。流向涡区域需要用全局稳定性进行分析,除流向涡区域以外的大部分区域,流场变化比较缓慢,速度分布存在一定的相似性。对这个主要区域,可以用线性稳定性理论进行分析。2、椭圆锥边界层的主要区域中:1)横流的存在使得增长率分布关于β-0不再是对称的,不对称的程度与横流速度及横流方向波数的乘积β_w有关。这种不对称使第一模态中出现零频率扰动,影响转捩发生的机理。2)边界层厚度的展向不均匀性也会对稳定性有较大影响,使得第一模态不稳定扰动的频率“集中”,导致扰动的增长区几乎遍布整个椭圆锥模型;使得第二模态不稳定扰动的频率“分散”,导致扰动的增长区仅存在于一个狭长的区域内。因此,第一模态的N值包络比第二模态的N值包络大得多。3)由理论得到的第一模态N值包络的等值线与噪声风洞实验的转捩位置符合较好,分析得到的主导转捩的扰动波频率在50kHz左右,也与实验测量吻合。横流定常涡的N值等值线与静风洞实验的转捩位置符合比较好。3、椭圆锥边界层的流向涡区域中,全局稳定性分析发现,存在两种不稳定模态,Y-模态和Z-模态。Y-模态的增长率要比Z-模态的大,Y-模态更有可能主导流向涡区域的转捩。Y-模态最大N值对应的频率与实验中测得的结果十分接近。4、对小幅值扰动演化DNS模拟的结果表明,理论分析能够比较可靠的预测椭圆锥边界层中各个模态扰动波的线性演化。射线跟踪法对横流方向波数的变化预测的非常好,但对扰动幅值的预测比DNS结果偏低,而鞍点法对横流方向波数的预测存在偏差,但对扰动幅值的预测反而比较好。造成这种现象的原因可能是非平行性的影响,还需要进一步深入研究。5、对有限幅值扰动演化DNS模拟的结果表明,由于非线性的作用,扰动幅值演化会经历饱和过程。横流行进波和横流定常涡模态的幅值饱和过程不太相同:对于横流行进波,幅值达到0.2时,非线性作用开始明显,幅值达到过饱和时为0.24左右,过饱和后幅值逐渐衰减,进入饱和状态幅值为0.1左右;对于定常涡模态,当幅值达到0.3时非线性作用开始明显,其饱和幅值较大,为0.4左右,达到饱和幅值后,经过一段平衡后幅值会继续增长,形成一种含欠饱和过程的幅值演化过程。横流行进波模态达到过饱和的过程较快,从非线性明显起作用到幅值达到过饱和峰值的距离也比较短。因此,可以用线性稳定性理论预测幅值达到过饱和峰值的位置,为横流行进波模态引起的转捩预测提供了理论基础。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V211

【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 李友荣,张玉伦,陈作斌;跨声速翼型绕流计算边界层反方法的研究[J];空气动力学学报;1991年02期

2 夏浩,唐登斌,陆昌根;边界层流动的非平行稳定性研究[J];空气动力学学报;2001年02期

3 毛枚良;邓小刚;向大平;陈坚强;;辉光放电等离子体对边界层流动控制的机理研究[J];空气动力学学报;2006年03期

4 王柏懿，陶锋;含灰气体激波沿平壁传播时诱导的边界层流动[J];应用数学和力学;1996年05期

5 N·巴佐;A·伊萨克;I·波普;海治;;可渗透收缩薄膜引起的三维不稳定边界层流动[J];应用数学和力学;2010年11期

6 诸乾康,俞达成,钮珍南,颜大椿,孙维新,佟晨光,蒋明健;平板边界层中Tollmien-Schlichting波的共振干涉[J];力学学报;1989年02期

7 陆昌根;赵玲慧;沈露予;;局部扰动对平板边界层流动稳定性影响的研究[J];空气动力学学报;2012年01期

8 谢明亮;林建忠;;边界层流场时空模式动力稳定性的数值计算及相互转换[J];中国计量学院学报;2007年02期

9 于秀阳,周恒;平板边界层流的非平行性对流动稳定性的影响[J];力学学报;1986年04期

10 任燕;;二维边界层流动的线性稳定性分析[J];山西建筑;2011年03期

相关会议论文 前10条

1 杨武兵;沈清;庄逢甘;;圆锥可压缩边界层流动国内最新研究进展[A];庆祝中国力学学会成立50周年暨中国力学学会学术大会’2007论文摘要集（下）[C];2007年

2 陈嘉辉;张家忠;;不同边界下边界层流动的稳定性分析[A];第九届全国动力学与控制学术会议会议手册[C];2012年

3 刘建新;任杰;符松;;边界层流动中非平行稳定性的双站位求解方法[A];中国力学大会——2013论文摘要集[C];2013年

4 张华;吴星刚;孙盛东;;不同粗糙表面地面对风沙边界层流动特性影响实验研究[A];第九届全国实验流体力学学术会议论文集（下册）[C];2013年

5 曹伟;;高温高超声速边界层流动转捩问题研究[A];现代数学和力学(MMM-XI)：第十一届全国现代数学和力学学术会议论文集[C];2009年

6 陈学慧;郑连存;张欣欣;;幂律流体边界层流动和传热问题的解析近似解[A];北京力学会第13届学术年会论文集[C];2007年

7 陈皓;鲍麟;;基于HAM的可压缩边界层非定常特征研究[A];中国力学学会学术大会'2009论文摘要集[C];2009年

8 姜楠;;高超声速尖锥边界层流动稳定性的实验测量研究[A];中国科协第235次青年科学家论坛——极端复杂测试环境下实验力学的挑战与应对[C];2011年

9 李岩;张华;孙盛东;;不同粗糙表面大气边界层对风沙边界层流动特性的影响实验研究[A];北京力学会第19届学术年会论文集[C];2013年

10 熊向明;陶建军;;斜板自然对流边界层中不稳定波的相互作用[A];北京力学会第18届学术年会论文集[C];2012年

相关重要报纸文章 前10条

1 赵彦;研究高超声速技术[N];中国航天报;2002年

2 李大光;高超声速技术让武器快如闪电[N];中国国防报;2011年

3 温坤;欧美高超声速运输机研究进展[N];中国航空报;2011年

4 中国航天科工集团公司三院310所研究员 李文杰　助理工程师 牛文;从“快速全球打击”看美国高超技术发展[N];中国航天报;2012年

5 丹丹;高超声速点燃美军激情[N];中国航空报;2011年

6 空军装备研究院 王治 牛文博 马光军;高超声速试验缘何屡遭失败[N];科技日报;2012年

7 ;高超声速 美国之外的三股势力[N];中国航空报;2013年

8 黄志澄;高超声速技术方兴未艾[N];大众科技报;2006年

9 谢文娇;美国防部发射高超声速试验飞行器[N];中国航空报;2010年

10 晓丽;美国研制新型高超声速无人机武器系统[N];中国航空报;2003年

相关博士学位论文 前10条

1 张绍龙;高超声速2:1椭圆锥边界层的稳定性特征及扰动演化[D];天津大学;2016年

2 高军;超声速边界层的稳定性分析方法及声波感受性[D];天津大学;2014年

3 任杰;高超声速边界层G銉rtler涡二次失稳和转捩控制研究[D];清华大学;2015年

4 周哲;存在半球粗糙元的发展平板边界层流动中的颗粒输运的直接数值模拟研究[D];浙江大学;2010年

5 唐湛棋;强扰动作用于边界层的PIV实验研究[D];天津大学;2014年

6 肖丰收;若干典型高超声速激波干扰流动特性研究[D];中国科学技术大学;2016年

7 黄国;高超声速环境下缝隙热环境的数值模拟研究[D];北京交通大学;2017年

8 彭钧;高超声速巡航飞行器乘波布局设计研究[D];南京航空航天大学;2007年

9 潘勇;高超声速流场磁场干扰效应数值模拟方法研究[D];南京航空航天大学;2007年

10 范培蕾;多目标优化方法及其在高超声速试飞器系统中的应用研究[D];国防科学技术大学;2009年

相关硕士学位论文 前10条

1 刘俊林;超声速轴对称激波与边界层相互作用研究[D];国防科学技术大学;2013年

2 刘开平;局部粗糙元对超声速边界层中扰动演化的影响[D];天津大学;2014年

3 何成明;超声波驱动微流体及声流边界层的数值研究[D];华中科技大学;2015年

4 张锋;可压缩平板边界层的非平行稳定性研究[D];天津大学;2007年

5 张永明;自由流中涡扰动的当地边界层感受性的数值研究[D];天津大学;2004年

6 程子平;高超声速滑翔飞行器俯冲段制导方法研究[D];国防科学技术大学;2013年

7 陆小革;基于LabWindows/CVI的高超声速静风洞测控系统的设计与应用[D];国防科学技术大学;2013年

8 杨武;高超声速壁板流固热耦合建模与分析[D];南京航空航天大学;2015年

9 徐飞;高超声速翼面的流固热多场耦合分析[D];南京航空航天大学;2015年

10 雷明达;高超声速流场与黑障减缓的仿真研究[D];电子科技大学;2016年

，

本文编号：2387208