基于Spalart-Allmaras-γ-\begin{document} ${\overline {Re} _{\theta {\rm{t}}}}$ \end{document}转捩模型的横流不稳定性转捩预测方法

传统的应用稳定性理论对横流不稳定性转捩现象的预测很难与现代CFD并行化计算结合, 为了解决这个问题, 文章基于SA-γ-${\overline {Re} _{\theta {\rm{t}}}}$转捩模型, 使用不可压三维边界层相似性解实现横流位移损失厚度Reynolds数在流场中的当地化求解, 结合亚音速试验数据-C1准则构建横流不稳定性转捩判据, 从而实现了横流不稳定性转捩预测方法的当地化并行求解.首先采用SA-γ-${\overline {Re} _{\theta {\rm{t}}}}$转捩模型对NLF(1)-0416翼型进行了流向转捩预测, 证实了该模型的正确性.然后应用所建立的横流转捩模型对45°前缘后掠角的NLF(2)-0415无限展长机翼和DLR-F5机翼, 以及标准6:1椭球标模进行了横流不稳定转捩数值模拟, 计算结果显示转捩位置均与试验数据吻合较好, 证明了文章所建立的方法在不可压边界层转捩预测具有较高的预测精度.      

高超声速椭圆锥边界层横流转捩特性大涡模拟

横流效应显著影响高超声速飞行器的三维边界层转捩过程, 深化对该流动机制的认识有助于提升和改善飞行器气动性能及热力学环境. 针对HIFiRE5椭圆锥绕流问题, 采用大涡模拟方法计算分析了超声速边界层横流转捩特性, 并揭示其中的流动机理. 参考HIFiRE5风洞模型试验条件, 数值模拟中椭圆锥来流入口处施加人工速度扰动以激发边界层内不稳定扰动波, 进而预测了高超声速边界层流动横流失稳、转捩过程等基本流动特征, 并基于转捩热流分布形态对比, 获得了与试验数据基本吻合的计算结果. 研究发现, 椭圆锥中心线流动汇聚形成的流向涡结构非常容易失稳, 另外在中心线及侧缘之间的中部区域存在较强的横流不稳定性, 两种机制共同作用影响边界层转捩过程. 此外, 分析了来流扰动幅值对边界层横流失稳转捩的影响, 并发现静来流条件下, 横流区域出现两组独立的定常横流涡结构, 而强噪声来流条件下, 中心线主涡和中部横流涡均发生失稳转捩, 且在椭圆锥表面形成多峰状的转捩阵面. 最后, 深入分析流场的压力脉动动力学特性, 揭示了三维边界层发生失稳转捩的非线性演化机制.      

基于转捩/尺度适应模型与FW-H声学方程的气动噪声数值模拟研究

采用计算流体力学(CFD)同"声类比"相结合的方法进行噪声模拟,利用CFD数值模拟 MD30P30N多段翼型失速攻角附近流场以及其气动特性来校核近场精度,进一步通过结合可穿透数据面的FW-H声学方程进行气动噪声分析。为了准确捕捉近场流场信息,为噪声预测提供可靠的声源精度,本文基于k-ω剪应力输运(SST)湍流模型,建立了尺度适应分离流(SAS)模型,并采用γ-Re_θt转捩模型耦合k-ω SST湍流模型建立了边界层转捩数值模拟技术;充分利用尺度适应模型在边界层表现为雷诺平均(RANS)方法这一特点,将γ-Re_θt转捩模型与SAS模型结合,建立针对包含转捩、分离现象复杂流场的数值模拟技术。文中以RANS为控制方程,分别采用全湍流k-ω SST模型、γ-Re_θtSAS转捩/分离流模型对多段翼进行近场数值模拟计算,结合可穿透数据面的FW-H声学方程进行气动噪声预测,在分析其对流场及气动噪声影响的基础上,得出了几点结论。     

Applications of parabolized stability equation for predicting transition position in boundary layers

The phenomenon of laminar-turbulent transition exists universally in nature and various engineering practice.The prediction of transition position is one of crucial theories and practical problems in fluid mechanics due to the different characteristics of laminar flow and turbulent flow.Two types of disturbances are imposed at the entrance,i.e.,identical amplitude and wavepacket disturbances,along the spanwise direction in the incompressible boundary layers.The disturbances of identical amplitude are consisted of one two-dimensional(2D) wave and two three-dimensional(3D) waves.The parabolized stability equation(PSE) is used to research the evolution of disturbances and to predict the transition position.The results are compared with those obtained by the numerical simulation.The results show that the PSE method can investigate the evolution of disturbances and predict the transition position.At the same time,the calculation speed is much faster than that of the numerical simulation.     

k-ω-γ模式对转捩影响因素的预测性能研究

高超声速边界层转捩的准确预测对飞行器的防热、减阻至关重要,而影响高超声速边界层转捩的因素众多.从模式角度出发研究边界层转捩的影响因素,采用k-ω-γ 转捩模式对5°圆锥的边界层转捩进行了数值分析,计算了不同头部钝度、来流雷诺数和湍流度情况下的边界层转捩,并与实验结果进行了对比. 研究结果表明:k-ω-γ 转捩模式基本能够反映头部钝度、来流雷诺数、来流湍流度对高超声速圆锥边界层转捩的影响规律,但对转捩后的热流峰值预测不准;从模式构造角度分析发现,雷诺数越高或头部钝度越小,层流区边界层越薄,k-ω-γ 转捩模式中第一、第二模态时间尺度增大,因此转捩起始位置提前;来流湍流度越大,等效脉动动能初值越大,导致层流区发展过程中等效脉动动能越大,因此转捩易于发生.      

旋转圆盘表面油膜破碎转捩临界特性分析

高速滚动轴承内圈和保持架等旋转运动件表面润滑油膜的流动铺展以及破碎为油带和油矢的特性决定着轴承的润滑与冷却状态.在获得轴承旋转运动件拓扑结构—旋转圆盘表面油膜稳态流动特性的基础上,利用力学平衡和液体表面波不稳定破碎理论,建立表面油膜破碎转捩为油带和油矢的临界特性分析模型,分析和探讨了表面油膜的稳态流动特性以及供油量和润滑油物理特征参数对油膜破碎转捩临界特性的影响.结果表明:表面油膜沿着圆盘径向逐渐变薄,因与圆盘表面存在滑移现象,其流动速度也随之减小;表面油膜破碎的临界波数和临界半径随着圆盘转速的增高而增大,临界厚度则随之减小;表面油膜破碎的临界半径和临界厚度随着润滑油供油量的增加而增大;增大润滑油密度,将延缓表面油膜破碎,破碎临界半径增大,临界厚度减小;增大润滑油的黏度和表面张力系数将促进表面油膜破碎,破碎临界半径减小.与相关的试验结果对比验证了理论分析方法的正确性和可靠性.     

合成冷/热射流控制超声速边界层流动稳定性

为了探究超声速边界层流动稳定性及其转捩控制机理,提出基于合成冷/热射流的边界层速度-温度耦合控制方法,并通过数值模拟研究了Ma=4.5超声速平板边界层不稳定波的传播,采用线性稳定性理论中的时间模式分析了壁面吹吸、射流温度、扰动频率、扰动振幅等对不稳定波控制效果的影响.结果表明:无射流控制时,边界层内同时存在不稳定的第一模态扰动波和第二模态扰动波,且二维波形式的第二模态占主导地位;壁面吹吸作用下,仅出现更加不稳定的第二模态,第一模态被抑制;速度-温度耦合控制下,射流温度对扰动模态的不稳定区域大小及扰动增长率影响显著,射流温度与来流温度不同时,温度的脉动使得流动转捩为湍流的速度加快,边界层速度型更加饱满,抗干扰能力增强,流动稳定性提高;高频的吹吸扰动对流场的控制效果优于低频扰动,扰动频率超过400 Hz时,第二模态扰动波时间增长率降低,扰动分量对边界层速度剖面和温度剖面的修正加快,第二模态更加稳定;扰动振幅减小为主流速度的1%时,仅出现时间增长率较小的第二模态,控制效果较好,进一步减小时,第一模态重新出现,并且波数范围与第二模态先重合后分离,对应的时间增长率先增加后减小.研究结果为边界层转捩控制技术提供了新的思路.     

转捩位置对全动舵面热气动弹性的影响

高超声速附面层的转捩预测一直是流体力学研究中的难点,转捩前后物面的摩擦系数和传热系数会发生改变,转捩位置的不同会影响到飞行器表面热环境,进而使得飞行器的气动弹性特性发生显著变化.鉴于高超声速附面层转捩预测的不确定性,本文分析了转捩位置对高超声速全动舵面热气动弹性的影响.首先分别用层流模型和湍流模型求解N-S方程,得到气动热环境,并对气动热进行参数化;然后在不同转捩位置情况下构造出不同转捩位置的热分布模型,基于此种温度分布,结合热应力和材料属性的影响分析结构的热模态,将结构模态插值到气动网格上,采用基于CFD的当地流活塞理论进行气动弹性分析.以M=6,H=15 km的某舵面为对象进行计算,结果表明:(1)随着转捩位置向后缘移动,结构频率上升,结构颤振速度呈增大趋势,转捩位置的变化能够带来颤振临界速度最大6%的变化量;(2)当转捩位置位于舵轴附近时,结构的颤振特性变化剧烈.通过刚度特性的分解和分析发现,导致颤振特性变化的主要因素在于舵轴的刚度特性变化,舵轴的影响量占整个结构刚度特性变化量的80%以上.     

一种数据驱动的翼型流动转捩预测方法

研究翼型绕流的转捩预测方法,对于翼型流动细节的精确模拟和气动力的准确计算以及精细化设计均具有十分重要的意义.采用动模态分解（dynamic mode decomposition,DMD）代替线性稳定性理论（linear stability theory,LST）与eN方法结合,不需要求解稳定性方程,成为一种数据驱动的翼型边界层转捩预测新方法,称为DMD/eN方法.在原有方法的基础上,改进了DMD网格线生成方法和扰动放大N因子的积分策略,并将RANS求解器与改进的DMD/eN方法进行耦合,实现了翼型定常绕流转捩预测自动化.采用该方法对LSC72613跨声速自然层流翼型以及NLF0416低速自然层流翼型在不同攻角下的绕流进行转捩预测,转捩点计算结果均与实验值和LST/eN方法吻合良好.该方法计算得到的N值增长曲线与LST/eN方法的包络线也较为吻合,进一步验证了积分策略的正确性.改进的DMD/eN方法可作为自然层流翼型设计的新的有力工具.      

小攻角高超声速钝锥边界层中不同扰动对转捩的影响

为了研究上游不同扰动对转捩位置的影响,针对来流Ma=6,攻角1°,半锥角5°的钝锥边界层的转捩进行了数值模拟．首先研究了边界层中小扰动的演化,与流动稳定性理论进行了对比,结果表明:在所考虑的流场中,流动稳定性线性理论可以对扰动的增长率做出一个较好的预测．在此基础上,研究了不同扰动对转捩位置的影响．计算给出了在两种不同频率分布的扰动情况下,转捩位置沿周向的分布．结果表明,转捩位置沿周向分布与入口扰动的幅值和频率有关．某子午面的转捩位置由该处的最不稳定波在入口的幅值决定．根据大多数风洞中背景扰动的特性,解释了小攻角圆锥转捩实验中背风面先转捩,迎风面后转捩的现象．同时,还解释了在背风面附近转捩位置“凹陷”的现象．