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高速流动精细数值模拟、实验研究及其在气动光学中的应用

冯定华  
【摘要】:超声速/高超声速条件下的复杂流动一直是流体力学理论研究和工程应用中的重点和难点问题,涉及激波、流动转捩、高雷诺数流、非定常流、湍流旋涡分离流等流动现象。本文针对超声速/高超声速流动中出现的这些复杂流动现象,以及由这些复杂流动引起的包括气动光学效应等在内的复杂物理现象,开展了精细数值模拟和实验研究。 针对超声速/高超声速复杂流动精细求解中存在的精度和效率问题,提出了基于Menter SST两方程湍流模型的LES/RANS混合数值模拟方法,建立了相应算法模型,并对其进行了可压缩效应修正,编制了程序。为提高程序计算效率,采用了大规模并行计算技术,搭建了基于PC集群的并行计算平台,并实现了程序的并行化。 基于Lax激波管、运动激波/密度波干扰、强激波双马赫反射和激波/涡干扰等问题考察了LES/RANS混合数值模拟方法的格式精度,确定采用5阶WENO空间格式、3阶TVD Runge-Kutta时间格式作为LES/RANS数值模拟的基本格式,研究了超声速/高超声速的激波/边界层干扰复杂流动现象。研究结果表明,该方法满足精细求解超声速/高超声速复杂流场要求。 通过实验和数值模拟对高超声速来流情况下进气道开启过程的起动特性进行了研究,重点分析了进气道内流激波/边界层干扰对起动特性的影响,得到了非常有价值的结果。实验中,自主设计了高超声速直联式风洞模拟自由来流马赫数5.3,通过测量进气道上壁面压力分布,研究了进气道开启过程的起动特性;在实验基础上,利用本文建立的数值方法,对进气道开启过程中的典型状态进行了数值模拟,分析了进气道开启过程中的复杂激波/边界层干扰现象,讨论了进气道起动特性受到边界层分离影响的规律。 针对超声速/高超声速复杂流场引起的气动光学效应,阐明了光学传输与流场属性的内在联系,给出了高速飞行器“近场”如湍流边界层、剪切层以及激波等引起的光学传输效应的表征形式与计算方法,分析了求解气动光学时对流场计算精度的判定准则,并做了讨论和推广。 基于超声速/高超声速流场网格和流场数据,提出了步长自适应光线追迹的思想和方法,该方法根据当地折射率梯度和网格几何尺寸自动调节追迹步长,较好地解决了光场中存在大折射率梯度(对应流场中大密度梯度)时光线追迹的精度和效率问题。 综合运用LES/RANS数值方法、大规模并行计算技术,数值模拟了Settles凹腔超声速三维流动,得到了剪切层区和再附区的速度型分布和质量流脉动,与实验结果符合较好。在计算所得流场的基础上,采用步长自适应光线追迹方法,研究了凹腔剪切层区域引起的光学传输效应,结果表明凹腔流场剪切层将导致严重的波面畸变,明显降低光强Strehl比。同时还计算了长深比L/D=5开式凹腔的三维非定常流动,对凹腔的自激振荡特性和非定常流动引起的气动噪声进行了研究,分析了凹腔自激振荡模式,相关结果与文献结果符合较好。


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