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零攻角尖锥边界层中二维扰动演化特征的数值研究

董明  
【摘要】: 对可压缩流动转捩机制的研究有重要的理论与工程意义。实际中,广泛存在有曲率的边界层流动,超音速尖锥边界层问题即是一典型的有曲率的边界层问题,本文对其扰动的演化规律进行了数值研究。 本文提出了一种计算超音速尖锥边界层定常流场的模型,即把尖锥边界层流场分成无粘的外流区域和有粘的边界层区域,首先在球坐标系下求解无粘尖锥绕流问题,然后选取靠近壁面的一小部分区域求解有粘N-S方程,将上边界给定为无粘方程的解。这样,既可以得到准确的流场,又减小了计算量。 本文对来流马赫数为5.29,半锥角为10度的超音速零攻角尖锥边界层,根据上述模型得到定常基本流,并在计算域的入口处引入二维T-S扰动波,对其空间演化进行了直接数值模拟,并研究了流场中是否会出现小激波,及出现的小激波对流场结构的影响。结果表明: 1.入口处引入小幅值T-S波时,扰动的幅值及相位的空间演化与基于平行流假设的线性理论预测的结果符合很好。表明虽然零攻角超音速尖锥边界层的基本流有一定的锥面法向速度,当半锥角较小时,平行流假设下的线性理论仍成立。 2.当扰动幅值增长到一定时,非线性作用使扰动的高次谐波增长起来,扰动幅值增长率也比线性理论预测的结果小很多,各个物理量的扰动剖面也有了明显的变化。 3.当扰动幅值继续增大到0.12左右的时候,流场中将出现运动的小激波。小激波的传播速度和间距与引入扰动波的相速度和波长基本相同。穿过小激波时,速度、压力、熵、相对马赫数等物理量有跳跃。


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