斜激波与轴对称边界层干扰的数值模拟

使用两方程Menter-SST模型,对来流Mach数为3时的斜激波与轴对称边界层的相互干扰现象进行了数值模拟与定性、定量分析。研究了斜楔激波发生器楔角和来流单位Reynolds数变化对干扰区流动的影响,总结了参数变化引起的流动分离变化规律;此外,还计算了与三维计算中心对称面上的入射激波等效的二维情形,并将三维结果与二维情形进行对比,对比结果显示中心对称面上的壁面压力系数、分离涡尺寸、涡量分布等与相应的二维情形存在明显差异。     

超声速层流/湍流压缩拐角流动结构的实验研究

在Ma=3.0的超声速风洞中, 分别对上游边界层为超声速层流和湍流, 压缩角度为25°和28°的压缩拐角流动进行了实验研究. 采用纳米粒子示踪平面激光散射(NPLS)技术获得了流场整体和局部区域的精细结构, 边界层、剪切层、分离激波、回流区和再附激波等典型结构清晰可见, 测量了超声速层流压缩拐角壁面的压力系数. 从时间平均的流场结构中测量出分离激波、再附激波的角度和再附后重新发展的边界层的增长情况, 通过分析时间相关的流场NPLS图像, 可以发现流场结构随时间的演化特性. 实验结果表明: 在25°的压缩角度下, 超声速层流压缩拐角流动发生了典型的分离, 边界层迅速增长失稳转捩, 并引起一道诱导激波, 流场中出现了K-H涡、剪切层和微弱压缩波结构, 而超声速湍流压缩拐角流动没有出现分离, 湍流边界层始终表现为附着状态; 在28° 的压缩角度下, 超声速层流压缩拐角流动进一步分离, 回流区范围明显扩大, 诱导激波、分离激波向上游移动, 再附激波向下游移动, 分离区流动结构复杂, 相比之下, 超声速湍流压缩拐角流动的回流区范围明显较小, 边界层增长缓慢, 流场中没有出现诱导激波、K-H涡和压缩波, 流动分离区域的结构也相对简单, 但分离激波的强度则明显更强. 关键词： 压缩拐角 层流 湍流 流动结构     

压缩拐角激波/湍流边界层干扰特性分析

用大涡模拟方法对Mach数3.0下的压缩拐角激波/湍流边界层干扰问题进行数值研究.对拐角上游平板区域边界层转捩及湍流进行模拟,设定平板区域长度,使得转捩过程于平板区域发生并充分完成,从而在拐角处产生激波/湍流边界层相互干扰,研究激波/湍流边界层的作用机理.研究表明:流场能够在非定常扰动激励下迅速转捩,并于平板区发展为完全湍流;湍流边界层与激波相互作用过程中,拐角附近分离区较层流情况明显减小;展向不同区域分离区大小差异较大,局部区域分离现象消失.     

激波与层流/湍流边界层相互作用实验研究

在超声速风洞中,分别对层流和湍流来流条件下的边界层和斜激波(激波强度足以引起流动分离)相互干扰进行了实验研究,利用纳米粒子示踪平面激光散射(NPLS)技术获得了两种条件下流场的精细结构图像;利用粒子图像测速(PIV)技术获得了两种条件下流场的速度场和涡量场;综合运用NPLS结果和PIV结果对比分析了两种流动的瞬时流动结构和时间相关性,实验结果表明:层流边界层内的分离区呈现出狭长的条状,而湍流边界层内分离区呈现出较规则的椭圆;在入射激波上游距入射点较远的位置,层流边界层外围拟序结构会诱导出一系列压缩波系,进而汇聚成空间位置不稳定的诱导激波,而湍流边界层则是在入射激波上游较近的地方直接形成较强且稳定的诱导激波;在入射激波下游,层流边界层内的膨胀区域较小且急促,膨胀后产生的再附激波很弱,而湍流边界层内的膨胀区域较大,膨胀后产生的激波较强。     

激波/边界层干扰对等离子体合成射流的响应特性

利用高速纹影系统和数值模拟方法研究了激波/边界层干扰对逆流喷射的等离子体合成射流的响应特性,并揭示了流动控制机理.实验在来流马赫数Ma=3.1的风洞中进行,测试模型采用钝头体和压缩斜坡的组合模型,等离子体合成射流激励器安装在钝头体头部.纹影系统捕捉了放电频率为f=1 kHz和f=3 kHz的激励对附体激波形态和分离激波运动的控制效果.等离子体合成射流使压缩斜坡激波/边界层干扰区域的起始点向下游移动,分离泡尺寸减小,附体激波强度减弱,发生弯曲,再附点移向上游,与此同时分离激波向附体激波逼近.与f=3 kHz激励相比,f=1 kHz激励的射流流量更大,对激波/边界层干扰的影响范围更广、控制效果更好.通过数值模拟,揭示了射流与来流相互作用对下游流场的作用机理:射流与来流相互作用诱导出大尺度旋涡,大尺度旋涡耗散发展增强了近壁面流场的湍流度;压缩斜坡上游近壁面的流场性质发生变化,进而导致了压缩斜坡激波/边界层干扰区域流动的变化.     

发动机短舱三维流动分离纳秒脉冲等离子体激励控制研究

侧风条件下发动机短舱唇口处流动分离具有明显的三维分离特性,相比于二维流动分离,控制难度更大.本文通过实验和数值,探究了纳秒脉冲等离子体激励对短舱三维流动分离的控制效果及作用机理.实验研究表明,纳秒脉冲等离子体激励可有效抑制进气道唇口三维流动分离,降低进气道出口流场畸变程度;数值仿真研究表明,纳秒脉冲等离子体激励通过向流...     

涡发生器对高超声速轴对称进气道外部流动的影响

采用三维CFD黏性模拟考察涡发生器对高超声速轴对称进气道外部流动的影响.针对前缘钝化半径0.8 mm和3.2 mm的轴对称进气道外部流场,以涡发生器高度与当地位移边界层厚度比值为影响参数,考察流场结构与性能参数的影响规律.结果表明,涡发生器产生的干扰波系使得前缘激波向外偏移,下游近壁面流动与主流区出现明显的交换,下游流动出现明显的展向非均匀性.涡发生器对流动的影响沿流向逐渐减弱.在气流压缩性能方面,涡发生器下游压比、动压比沿流向开始增大,随后逐渐恢复到无涡发生器工况;Mach数、总压恢复系数开始降低,随后逐渐向无涡发生器工况趋近.涡发生器高度与当地位移边界层厚度的比值h可作为衡量其影响的重要参数.当h≤1.5时,进气道流场结构、性能参数的变化几乎可忽略,h≤3.0时进气道入口处性能参数几乎能够恢复到无涡发生器工况.      

高精度非定常激波装配法

为正确模拟高超声速绕流中,来流小扰动与弓形激波之间的干扰对流动特征的影响,将弓形激波作为动边界,利用非定常特征关系处理激波处的边界条件.应用五阶精度迎风紧致格式和六阶精度的对称格式与三阶精度的R-K方法相结合,建立高精度非定常激波装配方法.采用该方法数值模拟钝锥高超声速定常流场和二维抛物外形高超声速边界层流动的感受性问题,数值模拟来流小扰动与弓形激波干扰激波后非定常扰动流场,研究扰动波进入边界层产生边界层不稳定波的特征.     

基于转捩SST模型凸起圆柱绕流数值研究

为了研究局部凸起对边界层转捩的影响,采用转捩SST模型分别对亚临界、临界和超临界状态下带突起的圆柱绕流问题进行了数值模拟,分析了不同Reynolds数下带突起的圆柱绕流问题的近壁面流动特征以及表面时均压力与摩擦力系数的分布和凸起对圆柱表面流动分离以及转捩的影响,对比了有无凸起两侧圆柱表面时均压力、摩擦力系数的不同. 结果表明:当来流Reynolds数处于临界区时,气流在圆柱上表面凸起处形成了3个反向旋转的漩涡,之后随着θ的增大,发生了流动分离和流动转捩现象;对于不同Reynolds数下的来流,圆柱上表面的凸起可以使气流发生转捩的位置提前;圆柱上表面的凸起使流速增大、压强降低,从而导致圆柱产生升力,随着来流Reynolds数的增大,其升力逐渐变大.      

二维高超声速后台阶表面传热特性实验研究

高超声速后台阶流动是大气层内高速飞行器发动机设计、表面热防护以及高超声速拦截器红外成像窗口气动光学效应校正等诸多先进高超声速技术研发过程中所涉及的一类基础流动问题. 研究高超声速后台阶流动特性对有效提升飞行器综合性能, 进一步掌握高超声速流动机理具有重大基础 意义. 本文以二维高超声速后台阶流动为研究对象, 在KD-01高超声速激波风洞中测量了二维后台阶模型表面传热系数和表面静压, 并将实测台阶下游表面传热系数分布同采用高超声速边界层理论所得估计值进行了比较. 为进一步验证实验结果, 使用NPLS技术测量了其中一种实验状态下台阶周围流动结构. 研究发现, 对于二维高超声速后台阶流动, 台阶下游表面传热分布受台阶处边界层外缘流动特性的直接影响; 在台阶下游分离区和再附区内, 气体黏性占主导作用; 在台阶下游远场区域, 边界层流动特性趋同于平板边界层; 下游边界层基本结构取决于台阶处边界层相对厚度. 对高超声速后台阶流动, 若使用数值模拟方法研究气动热问题, 应当使用湍流模型.     

考虑熵层效应的扫掠激波/湍流边界层干扰特性研究

为了探究熵层对扫掠激波/湍流边界层干扰特性的影响规律,采用仿真方法对尖鳍/钝板物理模型进行研究。结果表明：扫掠激波上游的熵层厚度随着平板前缘钝化半径的增大而增加,同时边界层厚度也随着熵层厚度的增加而增加。熵层的引入并不改变扫掠激波/湍流边界层干扰固有的准锥形相似特性,也不会改变拟锥原点(virtual conical origin, VCO)的位置,仅会改变干扰形成的上游影响线和分离线的角度。扫掠激波/湍流边界层干扰形成的锥形主旋涡和角涡的尺度随着熵层厚度的增加而增大。上游熵层的引入增大了下游扫掠激波/湍流边界层干扰区的总压损失,但扫掠激波/湍流边界层干扰自身造成的相对总压损失并不受上游熵层的影响。     

高超声速圆锥边界层转捩实验研究

在高超声速静音风洞内, 通过基于纳米粒子示踪的平面激光散射(nano-tracer-based planar laser scattering, NPLS)技术、高频压力传感器和温敏漆(temperature sensitive paints, TSP)技术开展了0°攻角条件下7°直圆锥高超声速边界层转捩相关实验研究, 得到了圆锥边界层由层流发展至湍流完整过程的NPLS图像, 清晰地展示了第2模态波的"绳状"结构, 尖锥与钝锥边界层的NPLS结果表明尖锥边界层转捩中第2模态波占主导, 而钝锥边界层在转捩前出现波长约为第2模态波波长5倍(甚至更长)、特征频率不高于31 kHz的狭长涡结构; 采用功率谱密度(power spectrum density, PSD)分析、互相关和N值计算对高频脉动压力数据进行分析, 得到了边界层内扰动波的发展规律, 在尖锥和钝锥中均观察到了沿流向第2模态波幅值先增大后减小、特征频率逐渐降低, 低频成分逐渐增加, 表明边界层发展过程中第2模态率先发展达到饱和, 而后逐渐衰减, 而低频模态则逐渐发展; 通过TSP技术得到了不同单位Reynolds数下的圆锥表面温升分布, 结果表明, 随单位Reynolds数增大, 边界层转捩阵面前移.      

Numerical simulation of transitional flow on a wind turbine airfoil with RANS-based transition model

This paper presents a numerical investigation of transitional flow on the wind turbine airfoil DU91-W2-250 with chord-based Reynolds number Re_c = 1.0 × 10⁶. The Reynolds-averaged Navier–Stokes based transition model using laminar kinetic energy concept, namely the k ? k_L ? ω model, is employed to resolve the boundary layer transition. Some ambiguities for this model are discussed and it is further implemented into OpenFOAM-2.1.1. The k ? k_L ? ω model is first validated through the chosen wind turbine airfoil at the angle of attack (AoA) of 6.24° against wind tunnel measurement, where lift and drag coefficients, surface pressure distribution and transition location are compared. In order to reveal the transitional flow on the airfoil, the mean boundary layer profiles in three zones, namely the laminar, transitional and fully turbulent regimes, are investigated. Observation of flow at the transition location identifies the laminar separation bubble. The AoA effect on boundary layer transition over wind turbine airfoil is also studied. Increasing the AoA from ?3° to 10°, the laminar separation bubble moves upstream and reduces in size, which is in close agreement with wind tunnel measurement.     

高超声速飞行器复杂外形转捩预测

采用k-ω-γ 转捩模式对某新型飞行器外形的典型流动特征和边界层失稳特性进行了分析.研究结果表明,横流是影响飞行器大面积转捩的主要因素.随着高度增加,来流Reynolds数减小,迎风面和背风面的转捩起始位置均向下游移动.随着攻角增加,头部附近背风面的展向压力梯度增大,横流效应增强,转捩起始位置向上游移动;另一方面攻角增...     

高超声速层流绕三维压缩拐角的数值模拟

通过数值模拟研究了高超声速来流绕过压缩拐角的层流分离三维流动特性.数值方法采用三维N-S方程,结合2阶精度Roe格式以及分区结构网格有限体积法进行离散.数值模拟的空间激波结构与实验纹影结果符合较好;激波/边界层干扰区内3条纵向线上的计算压力分布与实验结果进行了对比分析,计算获得在三维楔侧面存在低压力区,与实验结果反映的规律一致,计算结果表明低压力区是由楔体侧缘尖端发起的二次涡的抽吸作用造成的.此外,在楔体后端尾流区的低压沿边界层内的亚声速区往上游传递了一定距离.      

基于温敏漆技术的圆锥高超声速大攻角绕流背风面流动结构实验研究

高超声速流动中, 大攻角下圆锥背风面边界层会存在流动分离与再附、边界层转捩等多种流动现象, 进而对圆锥表面温度分布产生显著的影响。为了对这一复杂流动规律及其对表面温升分布的影响进行讨论, 研究基于温敏漆技术, 得到了在Mach数为6的低湍流度来流条件下, 攻角为10°的圆锥背风面温升分布结果。通过对不同位置、不同方位角处温升分布曲线的分析, 对大攻角下圆锥背风面边界层流动发展过程及不同发展阶段的流动特征进行了讨论。同时, 通过对来流总压的调节, 得到了不同Reynolds数下的圆锥背风面温升分布结果, 总结了Reynolds数对流动的影响规律。研究发现, 高超声速大攻角圆锥背风面边界层流动发展过程中会依次出现层流分离、定常横流涡影响、转捩以及湍流分离与再附等流动特征, 而在不同的Reynolds数下, 各个流动特征产生影响的范围不同, 随着Reynolds数的降低, 层流范围和定常横流涡影响范围均有所增加, 而从观察到横流影响到转捩开始发生的范围基本相同。      

Aerodynamic design of a supersonic three-dimensional inlet

The results of designing and numerical gas-dynamic modeling a supersonic three-dimensional inlet of a new type are considered. A ramp of external compression of this inlet is the V-shaped body forming an initial plane oblique shock wave and a subsequent isentropic compression wave. The inlet incorporates an entrance section of internal compression, where also a plane oblique shock wave and a subsequent isentropic compression wave are formed by a cowl. The designed three-dimensional inlet has small inclination angles of compression surfaces, which ensures its low wave drag. According to the estimates of inlet efficiency in terms of the compression ratio and the total pressure recovery factor, it is close to the optimal two-dimensional shocked inlet of external compression considered by Oswatisch as well as Petrov and Ukhov. The flow in the inlet was computed with the use of the Euler and Navier — Stokes codes provided by the commercial package “FLUENT”. The flow in the inlet throat in the design regime computed under the inviscid flow approximation is uniform. The most substantial effect of the flow viscosity in this regime manifests itself in the interaction of the shock wave from the cowl with the boundary layer on the V-shaped compression body in the inlet internal duct. According to computed data, the boundary layer separation does not occur in this case; however, due to viscosity effects, reflected shock waves are formed here which results in significant deviations of flow structure as compared to the computed inviscid flow.