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《军事科学院》 2019年
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膨胀-压缩拐角激波/边界层干扰的直接数值模拟研究

谢祝轩  
【摘要】:激波/边界层干扰现象广泛存在于超声速流动中,是高速飞行器设计中的关键问题之一。激波/边界层干扰常引起流动的分离,造成极高的壁面热流峰值,对飞行器的气动性能有极大影响。膨胀-压缩拐角是高速流动中的一种典型构型,常见于前体、进气道、燃烧室及喷管处,该构型除发生激波/边界层干扰现象以外,还常伴以湍流弱化甚至再层流化的现象。膨胀角之后,边界层脉动减小,流场呈现出“类层流化”的状态,这种状态的边界层进入压缩区域,发生激波/边界层干扰,可能会与典型的平板边界层干扰和平板-压缩拐角干扰有所不同。本文就针对这一构型进行了直接数值模拟,并在此基础上对流动机理进行了分析,具体工作如下:实现了回收-调节方法产生湍流入口。该方法基于零压梯度光滑平板湍流边界层的相关理论,对回收面的流动参数进行回收,并根据零压梯度湍流边界层的自相似理论对这些参数进行调节后重构成新的边界层信息提供给入口,这样入口可以获得不断更新的脉动信息,得以维持下游的湍流场。这一方法利用了自身计算得到的湍流场,相比与计算转捩得到湍流以及合成湍流方法等要求更少的流向长度,可以有效地减少对计算资源的消耗。利用回收-调节方法对来流马赫数为2.9、边界层厚度雷诺数2340的平板湍流边界层进行数值模拟。通过和已有的理论公式、实验和数值模拟结果进行对比分析,验证了结果的可靠性,说明本文实现的回收-调节方法的正确性。对入口来流马赫数2.9,单位雷诺数12K、22K、45K及膨胀角20°、25°、30°共五个工况的膨胀-压缩拐角流动进行了直接数值模拟研究。膨胀角处的流动膨胀导致湍动能生成项减弱甚至变负,强顺压梯度则导致湍动能压力做功项做负功,两者共同引起了膨胀角处的湍流弱化现象,但强顺压梯度的作用成分更大。膨胀角下游的法向速度剪切使生成项减弱,导致边界层湍流恢复较慢,恢复速度随着雷诺数的增加和膨胀角的增大而加快,流动分离时边界层还未恢复到充分发展湍流状态。压缩拐角处激波/边界层干扰有典型λ激波结构,但相比平板-压缩拐角构型中的λ激波,分离激波较弱,再附激波较强。分离前缘壁面压力、分离点位置及分离激波脚压力都在无量纲频率0.032出现了能量峰值,但壁面压力脉动的低频成分有所减弱。通过对比压力、分离点位置等信号的平均功率谱密度及平均信号的功率谱密度可以发现膨胀-压缩拐角构型中激波/边界层干扰存在无量纲频率0.1量级的展向周期结构,信号平均会导致这些中频成分的能量向低频转移。
【学位授予单位】:军事科学院
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2019
【分类号】:V211;O357.5

【参考文献】
中国期刊全文数据库 前2条
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【共引文献】
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中国博士学位论文全文数据库 前3条
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