超声速膨胀角入射激波/湍流边界层干扰直接数值模拟

为了揭示膨胀效应对激波/湍流边界层干扰区内复杂流动现象的影响规律,采用直接数值模拟方法对来流马赫数2.9、30°激波角的入射激波与10°膨胀角湍流边界层相互作用问题进行了数值研究。系统地探讨了激波入射点分别位于膨胀角上游、膨胀角角点和膨胀角下游3种工况下膨胀角干扰区内若干基本流动现象,如分离泡、物面压力脉动及激波非定常运动、湍流边界层统计特性和相干结构动力学过程等。结果表明,激波入射点流向位置改变对分离区流向和法向尺度的影响显著,尤其是当激波入射点位于角点及其下游区域。研究发现,膨胀角干扰区内物面压力脉动强度急剧减小,分离区内压力波向下游传播速度将降低而在膨胀区内将升高,膨胀效应极大地抑制了分离激波的低频振荡运动。相较于入射激波与平板湍流边界层干扰,入射激波流向位置改变对膨胀角再附区速度剖面对数区及尾迹区影响显著,将导致其内层结构参数升高而外层降低,近壁区内将呈现远离一组元湍流状态的趋势。此外,流向速度脉动场本征正交分解分析指出,主模态空间结构集中在分离激波及剪切层根部附近而高阶模态以边界层内小尺度正负交替脉动结构为主。低阶重构流场结果表明,前者对应为分离泡低频膨胀/收缩过程而后者表征为分离泡高频脉动。     

基于DDES的跨声速导叶中激波与边界层干涉机理研究

随着透平负荷的逐渐提高,为了分析导叶中出现的激波与边界层干涉的流动机理,需要使用高精度、高分辨率的求解器和先进的湍流计算方法以获取精细的流场结构。采用自主开发的混合RANS/LES求解器,对高负荷透平环境中激波与边界层干涉的流动现象进行研究。结果表明:跨声速流场中同时存在强激波和弱激波,弱激波可在作用位置附近导致熵生成率增大;强激波会诱导边界层分离,而分离区的存在使激波出现马赫反射现象。进一步对湍动能和流动损失进行了机理研究,发现在分离泡前湍动能较大,且湍动能的生成和对流占主导机制;在强激波后由强激波引起的熵生成率较大,且强激波前后区域流动损失主导因素不同。     

局部电弧丝状放电控制激波/边界层干扰的数值研究

采用数值模拟的方法研究局部电弧丝状放电激励对激波/边界层干扰引起的气流分离的控制效果和机理。研究发现在干扰区上游和干扰区内进行电弧放电能够有效控制边界层的分离,且控制效果随着能量输入增大而增强,最大可使分离区减小40.6%,而在干扰区下游作用时对激波/边界层干扰基本没有影响。结合热阻塞效应,可得出电弧放电的作用机理是其产生的焦耳热在流场中造成局部流场阻塞,形成等离子体虚拟型面,在流场中诱导出微弱的斜激波和旋向相反的漩涡,增大了边界层内流体的动量,使其抵抗分离的能力增强,从而抑制了气流的分离。     

膨胀效应对激波/湍流边界层干扰的影响

采用直接数值模拟方法对来流马赫数2.9,30°激波角的入射激波与膨胀角湍流边界层干扰问题进行了数值研究。入射激波在壁面上的名义入射点固定在膨胀角角点,膨胀角角度分别取为0°、2°、5°和10°。通过改变膨胀角角度,考察了膨胀效应对干扰区内复杂流动现象的影响规律和作用机制,如分离泡、物面压力脉动特性、膨胀区湍流边界层和物面剪切应力脉动场等。研究发现,膨胀角角度的增大使得分离区流向长度和法向高度急剧降低,尤其是在强膨胀效应下分离泡形态呈现整体往下游偏移的双峰结构。物面压力脉动功率谱结果表明,膨胀角为2°和5°时,分离激波的非定常运动仍表征为大尺度低频振荡,而膨胀角为10°,强膨胀效应极大地抑制了分离激波的低频振荡,加速了下游再附边界层物面压力脉动的恢复过程。膨胀区湍流边界层雷诺剪切应力各象限事件贡献和出现概率呈现逐步恢复到上游湍流边界层的趋势,Görtler-like流向涡结构展向和法向尺度变化剧烈,同时在近壁区将诱导生成大量小尺度流向涡。此外,物面剪切应力脉动场的本征正交分解分析指出,膨胀效应的影响体现在低阶模态能量的急剧降低从而使得高阶模态的总体贡献相对升高。     

激波边界层的相互作用对扰动波传播的影响

利用线性稳定性理论和直接数值模拟研究了带有入射斜激波的、来流马赫数Ma=4．5条件下的平板边界层的失稳特性。重点考察了在由于激波边界层相互干扰，平板边界层上形成分离区，又进而产生激波、膨胀波和旋涡等复杂流动现象的流场上游，引入小扰动的TS波后，扰动波传播通过带有这些复杂流动现象的流场时，扰动波的发展变化特点。通过对流场中扰动波（包括基本波和衍生波）演化特征的分析，研究分离和激波等复杂流动现象对平板边界层稳定性的影响特点。数值模拟发现，激波的出现不同于一般的压缩波，在亚声速区与超声速区对扰动波演化的影响是不同的，此外，分离对扰动有稳定作用。     

射流涡发生器对激波边界层作用诱导的流体分离控制大涡模拟研究

为了研究射流涡发生器对激波边界层作用所诱导的流动分离控制机理及其流场特性,基于大涡模拟(Large eddy simulation)方法和高阶TCD/WENO混合格式,对来流马赫数Ma=2.5情况下,平板上射流涡发生器对激波与边界层相互作用所诱导流场进行了数值模拟。结果表明,射流涡发生器对激波边界层的流体分离有一定的抑制作用,与无控制情况相比,射流作用下进出口总压恢复系数由85.9%提高到94.6%。射流尾涡主要集中于一环状区域内,在该区域内,入射激波与马蹄涡、桶形激波上方的涡管以及剪切涡相互作用,导致整体尾流被激波往下压缩。同时在激波的压缩下,各涡之间相互缠绕、挤压合并,形成多个流向小涡结构,将边界层外的高速流体卷入边界层内,从而增加边界层底层能量,达到抑制流动分离的目的。     

真实气体效应对升力体舵面局部流动分离的影响

数值模拟分析了高马赫数低雷诺数条件下激波边界层干扰、激波与激波相互作用、流动分离再附等流动现象的特点以及高温真实气体效应的影响。分别采用量热完全气体、平衡气体、化学非平衡气体模型对升力体由于舵面偏转引起的局部流动分离情形进行了数值模拟。研究了飞行高度、壁面温度及来流马赫数对流动分离的影响。计算结果表明:真实气体效应使空气在边界层内发生离解反应,边界层内温度降低,粘性减小,动能损失减小,克服逆压梯度的能力更强,从而使分离区明显减小。分离区的减小改变了分离/再附激波的位置和强度,进而对局部压力及热流分布产生重要影响;随高度增加,平衡气体较完全气体分离区相对减小量增大,平衡气体效应对流动分离/再附现象的影响越大;壁温对分离区影响较大,随壁温升高,分离区增大;随马赫数增大,分离区减小,真实气体和完全气体的差异增大,真实气体效应的影响更加显著。     

TSTO并联分离激波/边界层干扰流动特性分析

针对两级入轨飞行器的缩比模型，通过试验与数值模拟相结合的方式，在马赫数6条件下开展典型级间距状态的激波/边界层干扰流场研究，详细分析干扰区壁面及空间的流动结构与特性。结果表明：试验中模型壁面边界层在激波入射之前为层流状态，在强激波干扰后迅速转捩为湍流状态，因此试验结果在第一道激波作用结束之前与层流计算结果吻合，而在第一道激波作用结束之后与湍流计算结果一致；激波/边界层干扰呈现复杂的三维流动特征和明显的开放结构，强激波在壁面形成的高压区呈弧状向下游展开，轨道级头部产生的入射激波在级间来回反射，强度依次递减；同时，干扰区内存在展向弯曲的主分离线与再附线、沿流向排列的二次分离线与再附线、流动剪切形成的旋涡结构以及包括鞍点、结点、焦点在内的临界点；层流边界层受到激波作用形成的分离区明显大于湍流边界层，同时开放特征更为显著。     

MVG控制斜激波/湍流边界层干涉的大涡模拟

采用浸没边界法(IBM)对带有微型涡发生器(MVG)控制器的激波/湍流边界层干涉流动进行了大涡模拟(LES)。以来流马赫数为2.3的斜激波(由平板上方8°楔产生)为基本流动入射平板湍流边界层,通过在干涉区前布置MVG阵列来控制激波诱导的边界层分离。采用浸没边界法处理MVG的复杂几何,分析了MVG尾迹区平均流速度剖面,雷诺应力,瞬态旋涡结构。结果表明:时均流场显示MVG尾迹区存在一对对转的主流向涡,流向涡加剧了边界内的动量交换从而增加了边界层抗分离能力,而瞬态流场则反映出MVG尾迹区的剪切层由于Kelvin-Helmholtz(K-H)不稳定性会卷起为一列展向旋涡。     

基于振荡式涡流发生器的激波/边界层干扰控制方法

激波/边界层干扰（Shock Wave/Boundary Layer Interaction, SWBLI）是高超声速进气道中常见的流动现象，当其诱导边界层发生显著分离时往往会导致进气道气动性能严重下降。为此，本文提出了一种基于新型振荡式涡流发生器阵列的SWBLI控制方法，采用基于动网格技术的非定常仿真方法对该涡流发生器阵列流场进行了研究，验证了该控制方法的有效性，并研究了相关参数的影响规律。研究结果表明，振荡式涡流发生器可在超声速边界层内诱导产生振荡强度可变的涡系结构，增强了边界层流动与高速主流的掺混，同时该涡流发生器振荡过程中独特的“挤压”“抽吸”效应持续对气流进行充能，边界层内速度分布饱满程度显著增加。在控制效果方面，随着涡流发生器振荡频率增加，其对边界层低速气流充能的效果增强，对SWBLI流场的控制效果更加明显，形状因子最高可以降低28%；当激波入射在涡流发生器下游34hv时（其中hv为振荡式涡流发生器最大高度），控制效果最佳，激波诱导边界层分离区长度相比无控制时可减少25%；在涡流发生器下游x=270 mm处截取高度30 mm(z=30 mm)设置为监控面，相比于定几何涡流发...     

动态微涡流发生器对激波/边界层干扰的影响研究

本文基于OPENFOAM数值仿真平台,采用动态网格技术和湍流离散涡(DES)模型,研究了微涡流发生器以一定速度向下游移动时,激波/边界层干扰(SWBLI)流场特性的变化,重点关注干扰区域内的流向和展向的流场特性。来流马赫数为4,微涡流发生器向下游移动速度为0m/s,20m/s和40m/s。研究表明：当MVG向下游移动时,SWBLI区域的“弓”形高压区会演化成“双弓”形；入射激波形成高压区的压力明显降低,同时,入射激波和反射激波形成高压区的峰值位置均会向下游移动；流场下游 “双圆弧”状高压区的高度逐渐降低；SWBLI区域边界层的高度逐渐降低,同时边界层底部的速度也有所降低；随着MVG移动速度的增加,对SWBLI流场的控制效果更加明显；动态MVG对流场的控制是通过尾迹涡和波系结构实现的。     

立楔诱导的高超声速流动分离数值分析

高超声速飞行器进气道等关键部件引起的激波与边界层相互作用将导致流动分离,从而改变当地压力分布与局部受热情况,影响飞行稳定性与飞行安全,因此需要对高超声速流动的分离现象进行细致研究。采用高精度5阶特征型WENO格式与3阶TVD型Runge-Kutta方法,求解三维Navier-Stokes方程,对立楔诱导的高超声速激波与边界层相互作用引起的分离流动流场结构进行了细致的数值模拟与分析。结果表明,5阶特征型WENO格式分辨率远高于类TVD格式;Ma=6时得到清晰的激波结构、分离涡结构及其演化过程和壁面极限流线的拓扑结构,证明了WENO格式应用于高超声速分离流动的可行性与高分辨率;对不同来流Mach数的对比证明Mach数的增大抑制流动分离,导致分离涡减小。     

高分辨率激波/边界层干扰时间演化过程分析

在超声速风洞中开展了湍流边界层与圆柱相互作用流场研究，试验马赫数为3.4和3.8。圆柱安装在试验段底板上，安装位置的边界层为充分发展的湍流边界层，研究了圆柱直径和高度对流场结构和压力脉动的影响。采用基于纳米示踪的平面激光散射(NPLS)技术获取了流向和展向流场精细结构，激波系和马蹄涡结构均可清晰分辨。通过展向流场图像可以发现干扰区内激波与湍流结构的相互作用具有明显的非定常性。采用动态压力传感器测量了圆柱前方相互作用区域的压力脉动特性，在激波足区域压力呈现11～38 kHz的宽频分布，推测主要由激波足与涡结构相互作用及滞止区涡结构的破碎引起。随着圆柱高度的增加，激波足附近测点对应的特征频率有所降低；上游测点则发现了0～3 kHz低频区能量的增强，这主要是由分离区引起的，表明在一定高度范围内高度的增加增强了流动分离。     

激波/湍流边界层干扰物面剪切应力统计特性

为了揭示激波/湍流边界层干扰区内物面剪切应力统计特性的演化规律，采用直接数值模拟方法对来流马赫数2.9、12°激波角的入射激波与平板湍流边界层相互作用问题进行了研究。通过与风洞试验数据的比较分析，验证了计算结果的可靠性。系统地探究了干扰区内物面剪切应力的典型特征，如预乘谱、概率密度分布和相干结构等。研究结果表明，分离激波的低频振荡运动对流向及展向分量的预乘谱均没有实质影响，其脉动仍以高频特征为主，低频能量变化较小。干扰区内流向剪切应力概率密度函数分布变化剧烈，分离泡内对数正态分布规律不再适用，而展向剪切应力在干扰区内与正态分布较为接近。相较于上游湍流边界层，分离泡内物面剪切应力矢量夹角与幅值的联合概率密度变化显著，峰值概率降低，峰值范围增大。此外，流向剪切应力脉动场的本征正交分解分析指出，主能量模态与分离激波的低频振荡以及下游再附边界层内的Görtler-like流向涡结构密切相关。     

MHD控制激波诱导边界层分离的机理

激波边界层相互作用是高超声速飞行器面临的重大问题,激波入射到平板引起的边界层分离是其中最具代表性的一种。用加权的3阶ENN格式计算了小磁雷诺数近似的MHD方程,研究了MHD控制层流边界层分离的机理。数值结果显示,通过局部电离空气并施加洛伦兹力,能使分离点向下游移动,分离区尺寸减小,从而抑制和缓解由于激波-边界层相互作用而引起的分离。     

应用γ-Reθ湍流模型和PSE方法研究高超声速流动

采用考虑转捩的γ-Reθ湍流模型研究了高超声速复杂流动,结合PSE(parabolic stability equa-tion)稳定性分析方法和e-N方法,通过给出边界层最不稳定点的参数,用以控制γ-Reθ的转捩经验关联式,减少对经验参数的依赖.计算了锥体高超声速流场,得到的壁面换热量和边界层转捩位置与实验吻合较好.计算了平板激波/边界层干扰和高超声速拐角压缩流场,得到了准确的波系结构、压力分布和分离区的大小.结果表明,该方法与传统湍流模型相比具有较大的优越性.     

高负荷跨声速涡轮激波损失机理及控制技术研究

为了指导高性能、高负荷跨声速涡轮的设计,对其叶栅内的流场结构、尾缘波系结构、减小激波损失的机理及其控制技术进行了分析研究。结果表明:跨声速涡轮尾缘流场结构复杂,存在分离膨胀波、分离激波、基底区、再附激波、尾迹、吸力面反射波甚至激波边界层相互干扰等流动现象。通过采用收缩-扩张通道,喉道后采用直线型吸力面,减小吸力面尾缘弯折角、尾缘厚度和尾缘附近局部修型等措施,从而减弱激波强度,减小激波损失。     

绕方柱类凸起物分离流研究

本文发表了一组物面上按装方形凸起物引起流动分离的试验研究结果.全部试验在高超声速来流(M=5)条件下完成,流场中的方形凸起物在改变几何高度时,引起激波与边界层干扰流场的形态与物面压力分布规律的改变,说明方形凸起物的高度参数H/D在不同的范围内,对流场的影响不同.上述结果给出方形凸起物对应分离流场的特点,界定了竖直柱干扰区的分离边界与压力峰值.     

马赫数6柱-裙激波/边界层干扰直接模拟

高超声速激波/边界层干扰比超声速工况下具有更强的可压缩效应,再附之后会形成极高的局部力/热载荷,严重影响飞行器飞行安全。而激波/湍流边界层干扰区附近流动的三维特性使得流动更加复杂而难以预测。采用直接数值模拟对高超声速条件下的柱-裙激波/湍流边界层干扰进行了详细研究,特别是对Görtler涡结构对分离泡、物面压力和热流造成的展向差异开展了定性和定量分析。研究发现,干扰区附近的分离泡结构呈现出明显的三维效应,且Görtler涡展向分离位置截面的分离泡要明显小于再附位置,而这两个截面上分离泡的运动基本同步,没有明显的延迟或超前现象。物面压力和热流在展向出现显著的不均匀性,展向再附位置的平均压力和热流要比展向分离位置分别高13%和16.2%,脉动压力和热流比展向分离位置分别高28%和20%。截面流向速度特征正交分解结果显示两个位置上的能量都集中在剪切层附近,并且展向再附位置上低频模态占有更高的能量。在采用模态重构流场分析分离区面积发现,展向分离位置重构误差更小,而展向再附位置上的重构误差收敛更快。     

凸拐角附近激波与湍流边界层干扰的数值模拟研究

采用大涡模拟方法数值研究了来流马赫数Ma∞=3、雷诺数Reθ=2070的凸拐角附近激波与湍流边界层干扰问题。对于尖拐角和钝拐角两种情况,计算考察了激波入射到拐角下游时的流场结构、非定常分离流以及湍流统计特性。研究发现:尖拐角能够使流动产生局部集中的顺压梯度,导致壁面摩擦系数在拐角处出现峰值,因此分离点难以越过拐角向上游运动,而再附点发生前后运动。与尖拐角情况不同的是,钝拐角产生的局部顺压梯度不足以阻止分离点越过拐角,因此分离点和再附点都会发生运动。此外,尽管凸拐角产生的顺压梯度能抑制分离点附近的近壁小尺度涡结构,但在经过入射激波作用之后,近壁小尺度涡结构在再附点附近显著增强。