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圆柱可压缩绕流及其流动控制的大涡模拟研究

许常悦  
【摘要】: 钝体可压缩绕流是流体力学研究中的重要课题之一,相关问题广泛存在于工程应用中。本文采用有限体积方法数值求解可压缩Navier-Stokes方程,对于圆柱可压缩绕流及其流动控制进行了大涡模拟研究。主要工作和研究成果如下: (1)研究了来流马赫数(M_∞)对圆柱跨声速绕流的影响。研究表明,在跨声速范围存在一个临界马赫数M_(cr),对应存在两种流动状态:当M_∞<M_(cr)时,流场呈现非定常流动状态;当M_∞>M_(cr)时,流场则呈现准定常流动状态。通过流场分析发现,近尾迹中存在两种不同的局部超声速区形成机制,即涡/涡相互作用和激波/涡相互作用。在非定常流动状态中,沿着剪切层的对流马赫数M_c<1,Kelvin-Helmholtz不稳定性主导着剪切层的失稳:在准定常流动状态中,沿着剪切层则几乎都为M_c≥1,此时斜波模态主导着剪切层的不稳定性。 (2)研究了波状圆柱的跨声速绕流问题,着重分析了波状圆柱的流动控制特性。通过分析比较波状圆柱和圆柱的受力特性,表明波状圆柱能够减阻并抑制表面压力的振荡。基于流场中的典型流场结构、湍流特性、涡动力学特性以及剪切层的不稳定性分析,探讨了波状圆柱的流动控制机理。结果表明,波状圆柱的三维边界层分离能够抑制激波的产生和提高剪切层的稳定性,进而消弱激波波阻、提升柱体背压和抑制表面压力振荡。因此,波状圆柱通过提升背压、抑制激波波阻和表面压力振荡,带来了良好的减阻和抑制柱体振荡的效果。 (3)研究了带挡板圆柱的跨声速绕流问题,分析了带挡板圆柱的流动控制特性。通过比较带挡板圆柱和圆柱的受力特性,表明带挡板圆柱能够减阻并抑制表面压力的振荡。基于挡板前剪切层中的自激反馈机制、剪切层的不稳定性、流场的湍流特性和涡动力学特性分析,探讨了带挡板圆柱的流动控制机理。研究发现,相对于圆柱绕流,带挡板圆柱的时间平均阻力减小,并且能够有效地抑制柱体表面压力的振荡。挡板在流动控制中存在两方面的效应:一是抑制挡板上游剪切层的增长、提升挡板后的圆柱背压,起到了减阻和抑制表面压力振荡的作用;另一是挡板加速下游剪切层的涡卷起、降低挡板前的圆柱背压并增加摩阻,不利于流动控制减阻。


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