高超声速飞行器前体边界层强制转捩数值模拟

边界层强制转捩是保证超燃冲压发动机进气道正常启动的关键技术之一,k-ω-γ转捩模式是适用于高超声速边界层转捩预测的方法。为研究该方法对边界层强制转捩的预测性能及不同转捩带对边界层强制转捩的影响特征,对原始的k-ω-γ转捩模式进行了壁面温度影响修正,采用修正的k-ω-γ转捩模式对高超声速飞行器进气道前体边界层强制转捩进行数值分析,计算了光滑外形、钻石型转捩带外形和斜坡型转捩带外形在马赫数Ma=6,7条件下的边界层转捩,并与试验结果进行了对比。研究结果表明,修正的k-ω-γ转捩模式对边界层强制转捩具有较好的预测能力,计算得到的转捩起始位置与试验结果基本吻合。两种转捩带强制转捩效果明显,其中:钻石型转捩带产生的扰动强于斜坡型转捩带,且转捩区长度较斜坡型转捩带短;斜坡型转捩带在控制边界层流动分离、减小流动横向溢出效果上优于钻石型转捩带。     

转捩模式与转捩准则预测高超声速边界层流动

对原始的k-ω-γ转捩模式和"层流+转捩准则"模型进行了改进,在2种方法中分别增加了横流模态时间尺度和横流转捩准则用于预测横流失稳诱导转捩。通过对网格预处理可并行计算获得边界层外缘信息以及边界层内横流速度。采用不同雷诺数条件下的0°攻角尖锥以及HIFiRE-5外形对2种方法预测高超声速边界层转捩的性能进行了比较分析。研究结果表明,2种方法均能正确反映高超声速边界层转捩起始位置和转捩区长度随雷诺数的变化趋势,但不能捕捉转捩区热流峰值;"层流+转捩准则"模型计算得到的传热系数在全湍流区较k-ω-γ转捩模式偏高。对于同时存在流向不稳定和横流不稳定的HIFiRE-5外形,改进的k-ω-γ转捩模式和改进的"层流+转捩准则"模型相比于原始的模型均能更加准确地预测中心线两侧横流失稳诱导形成的转捩;对于中心线附近因速度剖面拐点引起的边界层转捩,"层流+转捩准则"模型由于与边界层厚度相关,预测得到的转捩位置较试验结果靠前,k-ω-γ转捩模式与试验结果吻合很好。     

γ-Re_θ模式应用于高速边界层转捩的研究

应用γ-Reθ转捩模式对超声速、高超声速边界层转捩进行数值模拟。γ-Reθ模式通过求解关于当地雷诺数和间歇因子两个输运方程给出转捩起始位置和转捩区长度等信息。本文对马赫数3.5至7范围内的四种算例进行计算,研究了来流雷诺数、攻角变化和头部钝化半径等关键参数的变化对γ-Reθ模式预测流动转捩性能的影响。给出了壁面摩擦阻力系数、热流值与实验值的对比以及壁面附近间歇因子等值线分布等计算结果。γ-Reθ模式能够正确预测攻角和钝化半径变化时转捩位置和流动参数的变化趋势;在较大雷诺数时计算结果与实验值吻合很好。γ-Reθ模式对于超声速或高超声速边界层转捩的模拟仍需修正和改进。     

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。     

基于改进的k-ω-γ转捩模式预测高超声速飞行器气动特性

为验证边界层转捩对高超声速飞行器气动特性的影响,采用改进的k-ω-γ转捩模式对类X-51A高超声速飞行器进行了全机边界层转捩预测.不仅系统分析了飞行攻角和雷诺数对边界层转捩的影响规律,同时研究了边界层转捩对飞行器气动力和进气道性能的影响.发现边界层转捩对飞行器升力系数和俯仰力矩系数影响较小,对阻力系数影响较大.针对本文算例,全层流计算较转捩计算预测的阻力系数偏低可达20％～30％.此外,边界层转捩可减小高超声速飞行器前体压缩面拐角处的分离,降低喉道截面马赫数、提高增压比.以上研究结果可为高超声速飞行器的控制系统和推进系统设计提供技术参考,显示了改进的k-ω-γ转捩模式具有较大的工程应用潜力.     

简化三方程转捩模型在高超声速流动中的应用

在雷诺平均方法的基础上,通过耦合k_(-ω)SST湍流模型和间歇因子转捩模型,引入湍流模型和转捩模型的可压缩修正方法,对高超声速平板、双楔、尖锥三类模型边界层转捩流动开展了数值模拟研究。与实验结果的对比分析表明基于压力梯度表征参数T_w=R_(TΩ/ω)的简化三方程转捩模型,能够准确捕捉高超声速平板边界层流动的转捩起始位置、转捩区域长度以及湍流区壁面热流。而对于双楔、尖锥模型,改进前的简化三方程转捩模型由于受到流动可压缩效应的影响,边界层转捩后湍流区的壁面热流模拟预测结果明显高于实验值。在添加模型可压缩修正方法后,转捩区域长度和湍流区壁面热流模拟结果得到有效改善,与实验值吻合较好。可见,简化三方程转捩模型在添加可压缩修正方法后具备准确模拟预测高超声速边界层流动转捩的潜力。     

高超声速三维边界层转捩数值研究进展及预测软件

高超声速边界层转捩问题已经成为飞行器设计需要考虑的一个关键因素，也是高超声速流动研究的热点和难点。三维边界层中存在横流、流向涡、接触线三种典型的流动结构和失稳特征，他们诱导转捩的机理不同。本文总结了低雷诺数湍流、γ-Re_θt、k-ω-γ、层流动能4种常用转捩模型的构造、适用性及应用情况，介绍了适用于三维边界层的BiGlobal、 PSE3D、 TriGlobal三种全局稳定性分析方法，分析了基于转捩预测e^N方法的e Malik、 LASTRAC、 LILO、HyTEN等转捩软件的优缺点，展望了高超声速三维边界层转捩研究及软件开发的未来。     

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.      

一种基于湍流模式的转捩预测方法

通过对平板边界层进行计算分析,基于湍流模式来预测流动转捩是可行的,但预测出的转捩位置不准,比实际情况靠前。因此,本文从转捩流动的物理特征出发对湍流模式中的混合尺度作出了修正,提出了一种考虑间歇函数影响的k-ωSST两方程湍流模式。采用该模式来对平板湍流边界层和不同攻角下的NACA0012翼型绕流进行了转捩预测,计算结果表明,改进后的模式对转捩位置具有较好的预测能力。     

应用改进的低雷诺数湍流模型预测转捩流动

基于Launder-Sharma(LS)低雷诺数k-ε两方程湍流模型发展了一种改进的具有转捩敏感性的低雷诺数湍流模型.针对LS模型的可实现性(realizability)问题和前缘滞止点湍动能预测过大的不足,模型进行了改进.改进模型只使用当地物理量,不需要求解壁面距离、y+和边界层积分参数.改进模型能够适用于广泛的流动,且容易应用到通用的计算流体动力学(CFD)程序中.对具有详细数据的零压力梯度平板转捩边界层T3A实验的模拟结果显示,改进模型能够预测转捩流动,并能对自由湍流变化给出合理的响应.      

基于湍流模型的转捩预测方法研究

阻力的精确计算,一直是低雷诺数飞行器设计的关键.而与附面层分离和转捩相关的摩擦阻力的精确计算则是此类飞行器阻力精确计算的关键.因此,开展了基于湍流模型的转捩预测方法的研究,应用几种湍流模型对平板边界层进行计算分析,研究各湍流模型预测流动转捩的能力.由于各模型对扰动的过于敏感,引起转捩提前发生,使预测与实验差距较大,由于k-ωSST两方程湍流模型预测能力优于其它模型,在此模型基础上引入了间隙函数进行粘性系数修正,对平板和NACA 0012翼型的转捩重新进行了预测,计算结果表明改进后的模型对转捩位置具有较好预测能力.     

压缩性修正对γ-Re_θ转捩模型的影响研究北大核心CSCD

将基于流场当地变量的γ-Reθ转捩模型加入可压缩RANS方程计算程序,对平均流场控制方程、湍流和转捩控制方程进行基于LU-SGS的隐式紧耦合求解。结合三种压缩性修正方法对高超声速平板、双楔和圆锥流动进行了数值模拟,给出了壁面斯坦顿数、热流值和实验值的比较,以及湍动能和间歇因子分布云图。数值计算结果表明,相同来流湍流度下不同压缩性修正方法得到的转捩位置差别较大。相比于未修正的模型,基于当地马赫数压缩性修正后的转捩位置最靠后,其对带有分离的双楔流动预测较为准确;基于来流马赫数的压缩性修正仅使得转捩位置稍有延迟;对湍动能源项的压缩性修正可提高模型在转捩后湍流段的热流预测精度。     

CKDO一方程模型计算高超声速横流转捩

高超声速横流转捩集湍流-激波作用、可压缩、横流、转捩等难题于一身，基于雷诺平均N-S方程（RANS）的转捩建模是一项挑战。本文采用CKDO-tran计算高超声速横流转捩的经典标模—HIFiRE-5，分可压缩性效应、雷诺数效应和迎角效应进行评估，发现：不考虑可压缩效应的KDO-tran模型无法给出准确的预测，而不引入特定转捩机理，CKDO-tran仍然可以预测一系列雷诺数工况的高超声速横流转捩。迎角0°时，CKDO-tran可以较好地预测出双肺叶转捩图像，迎角为4°时，CKDO-tran产生的转捩线提前，但给出了与实验相似的转捩图像，具有进一步开发的潜力。对4°工况进行来流湍流度敏感性的研究发现，随着来流湍流度减小，CKDO-tran产生的转捩线逐渐后移，并且转捩图像与实验的相似性逐渐减弱直至消失。通过对迎角效应进行的分析，推测出来流-激波相互作用的建模是消除迎角效应的关键。     

基于γ-Re_(θt)转捩模型的低雷诺数翼型数值分析

通过综合运用Michel转捩判据和γ-Re_(θt)转捩模型的方法实现对低雷诺数翼型的气动分析。首先通过Michel转捩判据和层流分离位置分别估算转捩动量厚度雷诺数,然后分别用Langtry和Tomac提出的经验关系式计算转捩动量厚度雷诺数和转捩区长度,通过UDF(User-Defined Functions)将不同组的3个经验关联值写入Fluent软件对E387翼型(雷诺数为3×10~5)进行数值分析,并与试验值进行了对比。结果表明:基于Michel转捩判据比基于层流分离更能准确预测转捩位置,基于层流分离预测的转捩位置过于靠前,但是2种方法的气动力计算结果与试验值都比较吻合,Langtry和Tomac的经验关系式计算结果之间差别不大,Tomac方法能够计算出分离泡,且与Selig油流试验吻合较好。     

固定转捩和自由转捩流动预测方法验证

采用固定转捩位置和基于SST k-ω湍流模型的γ-Reθt转捩模型自由转捩模拟两种方法研究了RAE2822翼型流动转捩问题。先采用γ-Reθt转捩模型确定转捩位置,再采用所获得的转捩位置实施固定转捩位置计算,并与全湍流计算结果和其他软件计算结果进行了对比。表明两种方法均能有效捕捉超临界翼型流动转捩现象,固定转捩位置模拟结果基本上重现了自由转捩预测结果。     

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。     

转捩模型在翼型气动性能预测 中的应用研究

边界层转捩位置的准确预测对于提高飞行器气动性能的预测精度具有重要意义.选取与k-ω SST湍流模型相耦合的γ-Reθt模型,以零压力梯度平板为研究对象,通过求解基于有限体积法的雷诺平均N-S方程验证该模型自动捕捉流动转捩的准确性;将该模型应用于传统有压力梯度的NACA 0012翼型的流场特性和气动性能的研究中,并与原始k-ω SST模型的计算结果及全湍流试验数据进行比较.结果表明:远场边界距离对翼型阻力系数有较大的影响;与无转捩模型相比,γ-Reθt转捩模型对翼型阻力系数的预测精度有一定程度的提高;对于二维模型,γ-Reθt转捩模型难以捕捉翼型表面的三维效应和非定常分离特性.     

后掠翼边界层横流不稳定转捩预测模型

通过对经典Falkner-Skan-Cooke三维边界层相似解的理论分析和数值求解,结合二维边界层转捩判据的思想,采用由试验数据标定的C1准则关系式求解横流不稳定转捩位移厚度雷诺数,建立了针对固定前缘后掠角机翼的横流转捩判据,并且通过方程求解和数据拟合得到了该转捩判据的数学结果.应用该模型对30°前缘后掠角的ONERA-M6机翼和45°前缘后掠角的NLF(2)-0415无限展长机翼进行了横流不稳定转捩数值模拟.模拟结果显示:改进后的转捩模型预测所得到的转捩位置精度较高,均与后掠翼横流试验数据吻合较好,从而证明了构建的横流不稳定转捩判据的合理性和实用性.      

边界层转捩预测中的局部散射理论

随着航空航天技术的发展,工程上对转捩预测精度的要求越来越高。由于飞行器表面经常出现如粗糙元、台阶、缝隙等局部突变,而传统的基于光滑壁面边界层建立的转捩预测模型已无法满足精度要求。因而,发展考虑壁面突变影响的转捩预测方法有重要的实际意义。对于由边界层中模态扰动的累积所触发的自然转捩,局部突变通过局部感受性与线性模态的局部散射两种机制影响转捩位置,故可以通过在传统eN转捩预测方法的基础上引入这两种机制影响的方法建立新的转捩预测模型。为了量化这两种机制的影响,作者与其合作者们提出了一套通用的理论框架——局部散射理论。该理论框架采用大雷诺数渐近理论与有限雷诺数理论相结合的分析与计算方法,定量刻画局部散射系统的两个特征参数——局部感受性系数与透射系数,以预测在局部突变影响下转捩位置的改变量。文章综述了近年来局部散射理论的研究进展,重点展示了该理论在二维层流边界层中黏性与无黏两种失稳机制下的应用。     

应用一个新的具有转捩敏感性两方程低雷诺数湍流模型预测转捩流动

本文基于Launder-Sharma(LS)低雷诺数的 两方程湍流模型发展了一种新的具有转捩敏感性的低雷诺数湍流模型。针对LS模型的可实现性(realizability)问题和前缘滞止点湍动能预测过大的不足,新模型进行了改进。新模型只使用当地物理量,不需要求解壁面距离、Y+和边界层积分参数。新模型能够适用于广泛的流动,且容易应用到通用的CFD程序中。对具有详细数据的零压力梯度平板转捩边界层T3A实验的模拟结果显示,新模型能够预测转捩流动,并能对自由湍流变化给出合理的响应。 关键词：航空、航天推进系统;转捩模型;转捩流动;数值模拟