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基于PSE的可压缩流边界层稳定性研究

郭欣  
【摘要】:本文主要采用PSE(Parabolized Stability Equations,抛物化稳定性方程)的新理论和方法研究可压缩流边界层稳定性问题。PSE理论和方法的基本思想是将行进的T-S波在空间和时间上的正弦变量从流场中分离出来,留下的扰动流场由速度剖面、特征波长和在流向作缓慢变化的增长率组成,利用流向慢变特性,其稳定性方程通过忽略慢变函数的流向二阶及其高阶导数而抛物化,得到了抛物化稳定性方程。由于既没有引进平行近似也没有对初始振幅的限制,因而可用于同时考虑非平行、非线性的边界层稳定性研究,适用于一般对流稳定性问题。文中PSE方法的计算结果与相关文献数据吻合甚好。 首先研究了可压缩流非平行边界层稳定性问题。从Navier-Stokes方程出发推导出可压缩流的抛物化稳定性方程;发展了精确的数值方法,采用高精度的数值离散和高效的代数变换,大大提高了计算精度和收敛速度;依据抛物化稳定性方程的特征,采用预估校正迭代法和空间推进求解,并使至关重要的限制可压缩流扰动质量变化的正规化条件得到满足,保证了数值计算的稳定;分析了包括扰动频率、展向波数、壁面温度以及来流马赫数等各种参数对流动稳定性的影响。 文中着重研究了近年来特别受到关注的超音速和高超音速边界层稳定性的热门问题。针对高马赫数边界层稳定性方程特性,采用复平面上的锯齿型积分路径以及泰勒级数扩展边界层流动到复平面的方法,有效地处理数值积分路径中的奇点问题,得到了高马赫数边界层的多重不稳定模态。采用PSE方法对超音速和高超音速的非平行边界层稳定性的第一模态和第二模态进行了空间推进求解。 对于可压缩流边界层的非线性稳定性问题,则是通过快速Fourier变换(FFT),将扰动波分解为基本模态和高频模态,导出非线性抛物化稳定性方程(NPSE),研究超音速和高超音速边界层中T-S波与三维亚谐波及其高阶谐波之间的非线性稳定性问题。分析了谐波之间的非线性相互作用以及不同振幅背景的T-S波和亚谐波对流动失稳的影响,结果清楚地展示了所生成的流向涡和展向涡等经历的非线性演化过程和物理特征。该方法所用计算时间比DNS方法成数量级地减少,表明NPSE是研究非线性边界层稳定性的一个强有力的工具。 文中还对极为复杂的后掠机翼边界层稳定性进行了研究。先导出曲线坐标系的边界层方程,并对其精确求解,得到稳定性计算所需的基本流参数;然后推导出非正交曲线坐标系的稳定性方程,采用高效数值方法精确求解。研究了包括横流稳定性在内的后掠机翼的边界层稳定性问题,详细分析了扰动频率、波角、流向和展向位置等各种参数对流动稳定性的影响,并对机翼表面不同区域的稳定性的特征进行了分析和比较,所有这些将为机翼表面的流动转捩和边界层控制等工程应用提供可靠依据。 概言之,本文对可压缩流边界层稳定性问题进行了较为系统的数值计算和分析研究,研究的速度范围大,包括亚音速、超音速和高超音速流动,涉及到稳定性的多重模态,特别是第二模态对高马赫数流动稳定性的研究至关重要;研究了稳定性问题的难点,非平行稳定性和非线性稳定性,特别是采用NPSE研究了扰动波和复杂涡系的非线性演化过程,有着重要的理论意义;而对于像后掠机翼这样的三维物体的复杂边界层稳定性的研究,对于飞机设计等工程应用,则会有重要实用价值。


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