C-γ-Reθ高超声速三维边界层转捩预测模型

针对国家数值风洞（NNW）工程高超声速三维边界层转捩预测需求,开展了高超声速边界层横流转捩判据及模型研究。采用线性稳定性分析e^N方法对高超声速转捩数据进行扩展,结合横流强度与表面粗糙度构造当地化的高超声速横流转捩判据,对基于Chant 2.0计算平台的高超声速修正γ-Re_θ转捩模型进行了横流模式拓展,建立了适用于高超声速三维边界层横流转捩预测的C-γ-Re_θ转捩模型。采用构建的转捩模型对多状态下的高超声速尖锥进行横流转捩预测,取得了与试验结果符合较好的预测效果。     

基于Gamma-Theta模型的固定转捩数值模拟研究

采用γ-~Reθt转捩模型,对NACA0012翼型的固定转捩进行数值模拟,计算了不同雷诺数下刚好激发转捩又不引起过大局部压力扰动和附加阻力的最低粗糙带高度,说明了γ-~Reθt模型模拟固定转捩的能力。通过计算低雷诺数下固定转捩来模拟高雷诺数下自然转捩,计算结果表明固定转捩可以较好地模拟自然转捩。这两种计算结果对风洞试验都有重要的指导意义。     

基于IDDES方法和γ-Re_θ转捩模型的粗糙颗粒诱导高速边界层强制转捩模拟

采用γ-Re_θ转捩模型与IDDES (Improved Delayed Detached Eddy Simulation)相结合的方法对BAM6QT (Boeing/AFOSR Mach-6 Quiet Tunnel)中的马赫6来流条件下粗糙颗粒诱导转捩情况进行了数值模拟研究,通过与试验测量的压力脉动均方根值、脉动主频和边界层内的皮托压分布的定量对比及与文献中DNS (Direct Numerical Simulation)流场结构的定性对比,表明该方法可以捕捉粗糙单元诱导出的流向涡,能够模拟颗粒前缘分离激波和弓形激波之间的震荡现象,能够模拟流向涡向下游的发展失稳过程及其脉动发展过程。计算结果表明流向涡结构在粗糙颗粒下游40倍颗粒直径位置开始破碎,非定常扰动能也在该点附近增长达到最大值。粗糙单元诱导出了明显的条带涡结构,其中低速条带处于边界层上层,在向下游发展的过程中逐渐扩散至边界层外缘并耗散掉。高速条带位于边界层底部,在向下游发展的同时往展向两侧拓展,最终展向上多条高速条带接触并互相耦合,导致最后条带涡结构的破碎和尾迹区边界层的转捩。     

用转捩模型预测转捩及确定最佳粗糙带高度

采用SST k-ω二方程湍流模型,附加γ-Reθ转捩模型对不同迎角下的NACA0012翼型绕流进行了转捩预测,计算预测的转捩位置与实验结果符合较好,说明γ-Reθ转捩模型对转捩位置具有较好的预测能力。进一步用模型对带有粗糙带的翼型进行转捩预测,获得了不同雷诺数下刚好激发转捩又不引起过大局部压力扰动和附加阻力的最低粗糙带高度,对固定转捩风洞实验有指导意义。     

粗糙壁面诱导的流动转捩数值模拟方法

为预测粗糙壁面诱导的流动转捩,对Langtry提出的γ-Re_θ转捩模型增加粗糙壁面的比耗散率和涡黏性的边界条件,并对模型中的经验关联函数——转捩动量厚度雷诺数进行修正,引入等效沙粒表面粗糙度作为变量,使模型具有一定的预测粗糙壁面诱导的流动转捩的能力.对粗糙平板自然转捩算例和变压力梯度平板绕流算例进行数值模拟,计算结果与风洞实验数据符合的较好.主要结论如下:表面粗糙度一般会增加边界层内的传热系数和阻力系数,同时使层流到湍流的转捩位置提前;自然转捩的转捩位置受表面粗糙度影响较大,与光滑壁面相比,平板算例中0.15mm的表面粗糙度使转捩位置提前40%;分离诱导转捩的转捩位置受表面粗糙度影响较弱,随着表面粗糙度逐渐增加,转捩位置和分离泡位置略有后移,且分离泡强度逐渐减弱,分离泡之后的阻力系数增加.      

不同襟翼偏角梯形翼构型气动特性数值模拟

基于雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程和结构网格技术,采用二阶离散精度的单调迎风格式(MUSCL),结合剪切应力输运(SST)两方程湍流模型和γ-Reθ转捩模型,研究了梯形翼高升力构型襟翼偏角变化对气动特性的影响。主要目的是进一步确认Trisonic Platform(TRIP)软件模拟高升力梯形翼不同襟翼偏角引起微小气动特性变化的能力。首先,简要介绍了采用的计算方法;其次,介绍了两种襟翼偏角的梯形翼模型及风洞试验;最后,在网格收敛性研究的基础上,采用全湍流和转捩两种方式模拟了梯形翼构型不同襟翼偏角对气动特性的影响。与试验数据的对比结果表明,采用全湍流和转捩两种方式均可以较好地模拟不同襟翼偏角对气动特性的影响量,采用γ-Reθ转捩模拟方式可以提高梯形翼构型气动特性的模拟精度,失速迎角附近的气动特性模拟需要进一步研究。     

后掠机翼人工转捩最佳粗糙带高度数值预测

介绍了基于当地变量的γ-Re_θ转捩模型,并将该模型应用到后掠机翼的转捩预测和人工转捩最佳粗糙带高度以及人工转捩技术能够模拟的大气飞行雷诺数的确定中。为检验γ-Re_θ转捩模型对后掠机翼转捩的预测能力,对ONERA M6机翼和DLR-F4标模机翼进行了边界层转捩预测,采用结构化网格和有限体积法求解雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程,得到了机翼表面的摩擦阻力系数分布,从而可以得到相应的转捩位置,预测得到的转捩位置与试验结果比较吻合,说明该模型对后掠机翼转捩预测是可信的。最后在DLR-F4标模机翼上表面固定了粗糙带,通过相同的方法得到了转捩位置,从而确定了马赫数为0.785、雷诺数为3.0×10⁶时最佳粗糙带高度为0.11 mm;通过不断增大雷诺数使自由转捩位置不断向前缘移动,验证了人工转捩对大气飞行雷诺数的模拟能力。结果表明,在最佳粗糙带高度为0.11 mm下,可以实现对大气飞行高雷诺数的模拟。     

基于双eN方法的翼身组合体流动转捩自动判断

发展翼身组合体复杂外形流动转捩自动判断方法,对高亚声速民机自然层流（NLF）机翼设计具有重要意义。使用多块结构化网格和三维雷诺平均Navier-Stokes（RANS）方程求解器,耦合边界层方程求解和基于线性稳定性理论（LST）的完全双e^N方法,发展了一套可同时计及Tollmien-Schlichting波和横流不稳定性扰动诱导转捩的翼身组合体流动转捩自动判断方法。对DLR-F4翼身组合体绕流进行了转捩自动判断,将得到的转捩位置与试验结果进行比较,验证了所发展方法的正确性。使用上述方法对配置自然层流机翼的中短程民机翼身组合体外形进行了数值模拟,并将结果与单独机翼的转捩位置进行了对比,结果表明机身三维位移效应增强了自然层流后掠机翼边界层的横流不稳定性强度,导致翼根转捩位置提前至前缘区。     

采用γ-Re_(θt)模型的转捩流动计算分析

为了在黏性流动数值模拟中实现边界层转捩的自动预测,将γ-Reθt转捩模型引入到三维非结构混合网格的雷诺平均Navier-Stokes方程求解程序(HUNS3D)。该转捩模型由两个依赖当地变量定义的关于间歇因子和当地化转捩起始动量厚度雷诺数的输运方程组成,其数值求解算法与流场求解程序中湍流模型的求解方法相同。为了考察和验证HUNS3D程序中γ-Reθt转捩模型对航空工程中的常见附面层自由转捩问题的预测精度,对低速平板流动、Aerospatial-A翼型、NLR 7301超临界翼型和NASA Trap wing高升力构型等典型外形的自由转捩流动进行了计算,并将计算结果与相关试验结果进行了对比分析。算例结果表明:γ-Reθt转捩模型对于转捩位置具有很好的敏感性,能比较准确地预测自然转捩和分离转捩,可以有效提高HUNS3D程序对实际流动的模拟能力和预测精度。     

基于γ-Reθt转捩模型的翼型气动特性计算精度改进研究

将结合SSTk-ω湍流模型的γ-Reθt转捩模型与二维雷诺平均NS（RANS）方程数值求解相耦合,发展了考虑转捩影响的翼型气动特性计算方法。得到的计算结果与没有考虑转捩影响的计算结果的比较表明,与实验更加吻合,计算精度得到了明显提高。     

基于双eN方法的短舱层流转捩影响因素

发展自然层流短舱对提升现代民机的经济性和环保性具有重要意义，而对影响短舱层流转捩的因素进行研究有助于更好地开展短舱的层流设计。本文基于线性稳定性分析方法，将双e^N方法同RANS方程求解器耦合，建立了一套可同时计算T-S（Tollmien-Schlichting）波和横流（CF）驻波诱导转捩的流动转捩预测方法，通过标准椭球算例验证了该方法的正确性，进而研究了来流马赫数、雷诺数、湍流度以及迎角对短舱转捩的影响。结果表明：马赫数和迎角会带来压力梯度的明显改变从而引起转捩位置发生变化；而在此构型的高雷诺数工况下，雷诺数和湍流度对转捩位置影响相对较小，转捩位置移动的区域不超过短舱长度的5%。因此在设计阶段，在高雷诺数条件下保持层流设计要尽量避免较大的逆压梯度，保持顺压梯度。     

Gamma-Theta转捩模型在绕翼型流动问题中的应用

在非结构RANS求解器上实现了完全基于流场当地变量和转捩经验关系式的γ-Reθ转捩模型,并利用该模型对S809和NLF0416两种翼型在中等迎角以及大迎角下的低湍流度绕流问题进行了计算.计算结果表明该模型可以准确地预测自然转捩、分离泡转捩和再层流化等各种转捩现象,中等迎角下预测的转捩发生位置和升阻力系数与实验吻合较好,大迎角下该模型也捕捉到了前缘分离泡.同时计算结果也表明该模型预测结果受物面流向网格密度和对流项数值离散格式影响较大,计算时须加以注意.     

粗糙元诱导的高超声速转捩机理及应用

采用直接数值模拟（DNS）方法细致刻画了不同类型粗糙元诱导的高超声速边界层从层流到湍流的转捩过程,从拓扑结构稳定性和边界层流动稳定性两个角度分析了不同类型粗糙元诱导转捩的机理。通过对不同类型粗糙元诱导转捩机理的研究,设计了一种对齿型粗糙元,其具有小尺度、低摩阻、低热流、诱导转捩能力强的特点。研究发现不同类型的粗糙元底部区域均存在鞍点-结点-鞍点（SNS）型轨线,在扰动的作用下其会形成非定常、非对称的振荡结构。同时针对斜坡型以及对齿型粗糙元的工程应用开展了研究,验证了不同类型粗糙元诱导转捩的机理,为强制转捩装置设计提供了基础理论支撑。     

微通道流动转捩数值模拟

应用CFD计算软件ANSYS CFX对水力直径为0.4mm的矩形截面微尺度通道中的气体流动进行了数值模拟.采用了3种流动模型,即γ-Re_θt转捩模型、层流模型和剪切应力输运（SST）模型,并将模拟结果与实验结果进行了对比.模拟结果表明:层流模型及SST模型不具有预测转捩的能力;γ-Re_θt转捩模型捕捉到了临界雷诺数且摩擦因数相对误差在20%以下.在未达到临界雷诺数之前,通道后部已经出现局部湍流区,且局部湍流区随着雷诺数的增大而增大.壁面摩擦因数的最低点对应的流向位置与通道中前后湍流区的交结位置几乎一致.      

高超声速进气道强制转捩流动的大涡模拟

吸气式高超声速飞行器常在进气道边界层内布置粗糙颗粒或涡流发生器强制流动转捩为湍流以确保发动机正常启动。为了清晰认识强制转捩过程,采用隐式大涡模拟方法,对强制转捩问题开展了数值模拟研究。针对钻石形和斜坡形涡流发生器,计算得到涡流发生器诱导的流动结构,显示出强制转捩流动由涡流发生器产生的反向旋转流向涡对主导。扰动沿流向增长和发展,导致流向涡对以偶模式或奇模式失稳,偶模式失稳产生对称形式的涡对破碎,而奇模式失稳则导致非对称（弯曲）形式的涡对破碎。流向涡对破碎后产生一系列发卡涡并最终促使边界层转捩为湍流。最后就计算网格和数值耗散对隐式大涡模拟结果的影响以及计算的收敛性进行了讨论。     

基于SA和SST γ-Reθt模型对边界层转捩预测的比较

利用作者共同研发的In-house代码TRANS3D平台,在SA和SST两种常用湍流模型框架下构建了γ-(Reθt)转捩模型,并以二维低速S809层流翼型和三维小后掠跨音速F5层流机翼为对象,比较了两种不同湍流模型构架下γ-(Reθt)转捩模型预测的气动力特性和流场分布.结果表明:两种转捩模型均能预测航空转捩计算中常见的分离流转捩和自然转捩类型,明显改善了中低雷诺数流场下的预测精度,但由于选取基准湍流模型的不同,基于SA和SST的γ-(Reθt)转捩模型在流动细节上依然存在着一些差异.     

高超声速进气道钻石型强制转捩装置的转捩准则研究

针对吸气式高超声速前体/进气道外形,利用在Φ600mm脉冲燃烧风洞和Φ0.5m高超声速风洞上获得的边界层转捩试验数据以及CFD流场计算结果,研究了前体边界层强制转捩区域的起始位置及其影响参数。采用回归分析方法,提出了一种适用于常规风洞和脉冲燃烧风洞、能够预测自然转捩和钻石型强制转捩起始位置的转捩准则。这个转捩准则考虑了边界层外沿的马赫数、雷诺数,以及总温/壁温比、来流气体平均分子量、粗糙元高度等影响转捩位置的主要因素;当粗糙元高度为0时,强制转捩准则退化为自然转捩准则。转捩准则成功推广到X-43A进气道风洞试验,预测最大偏差约为进气道全长的13%,可以应用到工程项目的转捩预测中。     

基于S-A湍流模型和间歇因子输运方程的转捩流数值模拟

考虑到γ-Re_θt转捩模型中间隙因子输运方程并不依赖于具体的湍流模型,因而提出了耦合S-A湍流模型和间歇因子输运方程的转捩流模拟方法.其主要思想是构造与间歇因子相关的两个耦合函数,分别作用到S-A模型的生成项和耗散项用以控制湍流的产生与发展,从而实现层流到湍流的数值转捩.结果表明:该方法中模型方程具有完全当地性的特点,易于实施,可直接用以求解三维转捩流动.4个典型算例表明该方法模拟结果与γ-Re_θt模型准确度相当,但少求解了两个输运方程,计算耗时减少了15%.      

γ-Reθt转捩模型在微通道流动特性研究中的应用

应用ANSYS CFX对矩形微通道中的流动进行了数值研究。通过与实验数据的对比检验了层流模型、γ-Reθt转捩模型和剪切应力输运模型在微通道流动转捩模拟中的适用性,并在此基础上探究了微通道长径比以及截面宽高比对临界雷诺数的影响。结果表明:3种模型中,只有γ-Reθt转捩模型捕捉到了转捩的趋势,并较为准确地捕捉到了临界雷诺数。当微通道的长径比不小于200,进口段对整体流动特性产生的影响可以忽略。当微通道的当量直径和长径比一定,宽高比由1增加到5时,临界雷诺数呈逐渐增长趋势。      

横流不稳定性转捩预测模型

由于Langtry和Menter提出的γ-Re_θt边界层转捩模型只能预测流向的边界层转捩现象,因此继续改进该转捩模型使其具有横流不稳定性转捩的预测能力显得非常必要。通过对经典Falkner-Skan-Cooke (FSC)三维边界层相似解的理论分析和数值求解,结合Thwaites压力梯度因子与当地后掠角构建的函数关系来求解复杂构型的当地Hartree压力梯度因子β_H以及形状因子H₁₂,采用由试验数据标定的C1准则关系式获得横流转捩位移厚度雷诺数,从而建立能够对复杂构型进行横流不稳定性转捩预测的转捩判据。应用所建模型对30°前缘后掠角的ONERA-M6机翼和变前缘后掠角的DLR-F5机翼以及标准6:1椭球标模进行了横流不稳定转捩数值模拟,计算结果显示转捩位置均与试验数据吻合较好,证明了该模型的合理性和实用性。