改进k-ω-γ转捩模式对不同雷诺数下HIAD的转捩预测

高超声速充气式柔性减速器（HIAD）在气动力作用下会变形为波纹状，从而促进流动转捩为湍流，准确预测其转捩位置和壁面热流对热防护系统的设计至关重要。拓展了分离诱导转捩预测性能的改进k-ω-γ模式，同时具备对第1模态、第2模态、横流模态以及流动分离失稳的预测能力。本文将其应用于不同雷诺数下壁面波纹变形的HIAD边界层转捩预测，并与原始k-ω-γ模式的预测结果进行了对比，以评估和验证其对复杂转捩现象的预测性能。在此基础上，细致剖析了改进k-ω-γ模式的转捩预测机制。结果表明，改进k-ω-γ转捩模式可准确预测不同来流雷诺数下HIAD的转捩起始位置、转捩阵面形态和壁面热流分布。波纹壁面波峰处的转捩预测主要由构造的分离间歇因子猝发。而在波谷位置，第1模态、横流模态以及流动分离的贡献都很重要。以上研究显示了改进k-ω-γ模式在复杂外形中的应用潜力，可为多重不稳定耦合作用下的转捩预测方法发展提供参考。     

横流转捩模型研究进展

本文对横流转捩模型的研究进展进行了整理与回顾。首先分类归纳了目前常用的多种边界层横流不稳定诱导转捩判据,详细分析其构建思路和判据特性,并介绍判据相关研究工作。其次分类探讨了基于不同横流转捩判据的各类横流转捩模型,给出模型的具体构造形式和耦合方法,指出模型的适用范围、优势和局限性。最后对横流转捩模型领域的发展方向进行了展望。     

DDES延迟函数在超声速底部流动中的性能分析

DDES是广泛应用的一类RANS/LES混合方法,其通过引入延迟函数保证近壁区的RANS模化,对分离流动十分有效。目前DDES已发展了多种不同的延迟函数,但对各延迟函数的性能特点认识尚不够充分,尤其缺乏超声速流动中的相关研究。围绕DDES方法中不同延迟函数开展研究工作,选取超声速底部流动作为测试算例,通过与实验数据的系统对比分析,考察不同延迟函数在超声速分离流动中的分布规律、作用效果及模型求解能力。研究表明,不同延迟函数作用范围与求解能力存在差异,其中DDES-F1能够在起到保护作用的同时不损害模型的求解精度,对该流动较为有效,所得结果与实验数据吻合较好。     

横流转捩模型参数不确定度量化分析与应用研究

为获得横流转捩模型重要参数在不同工况下对转捩结果的定量影响规律并尝试获得更加准确可靠的转捩模型预测结果,开展了基于非嵌入式多项式混沌(NIPC)方法的横流转捩模型参数不确定度量化分析、参数敏感性分析及其应用研究。不确定度量化分析方面,对基于γ-Re_(θt)模型的完全当地化横流转捩模型的重要模型参数进行了拉丁超立方抽样,通过有限参数样本的S-K低速平板和无限展长后掠翼的数值计算,运用非嵌入式多项式混沌方法,定量分析了模型参数在不同类型转捩流场中的影响效能。在应用研究方面,以不确定度与参数敏感性定量分析结果为指导,对模型参数进行了横流诱导转捩条件下的筛选与标定,在NLF(2)-0415后掠翼、6:1标准椭球体以及DLR-F4翼身组合体算例中进行了验证,标定后的模型对多个算例的三维边界层横流转捩进行了较好的预测。     

HyTRV流场特征与边界层稳定性特征分析

高超声速转捩研究飞行器（HyTRV）是为研究三维复杂外形的边界层转捩问题而设计的一款具备真实飞行器典型特征的升力体标模。为支撑更加全面系统的理论分析、数值模拟、风洞试验和飞行试验研究,采用高精度数值模拟方法、线性稳定性理论（LST）和e^N方法对HyTRV标模的典型流动特征和边界层失稳特征进行了分析。研究表明,HyTRV展现出多个相对独立的横流区域和多个流向涡结构;HyTRV的边界层存在横流失稳模态、第二模态、附着线失稳模态等常见模态。横流失稳模态出现在周向高低压区之间的横流区域,能够主导转捩发生;横流区域同时也存在第二模态,其N值普遍比横流失稳模态小;附着线失稳模态呈现出第二模态特性,且频率非常高。还研究了攻角和单位雷诺数的影响。结果表明,随着攻角增加,标模下表面中心线的流向涡结构逐渐消失,横流雷诺数逐渐减小;上表面流向涡结构逐渐从腰部移向顶端,并出现新的流向涡结构。增加攻角,所有失稳模态的N值总体上逐渐减小;增加单位雷诺数,N值显著增加。基于研究结果,针对流向涡失稳、横流失稳、第二模态和附着线失稳等给出了研究建议。     

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。     

雷诺应力与涡黏性模型的分离流预测对比分析

现代飞行器设计对流动分离的准确预测需求愈发迫切，但使用广泛的涡黏性模型预测结果却不尽如人意。雷诺应力模型凭借其扎实的理论基础有可能获得可信度更高的结果，但其性能优势仍需进一步评估与发掘。选取了SST模型、Stress-BSL(Baseline)模型分别作为涡黏性和雷诺应力模型的代表，对二维驼峰、二维跨声速凸块、跨声速三维ONERA M6机翼等算例进行了数值仿真。结果表明，相较于实验值，2种模型的预测结果均出现流动分离点提前，再附点滞后的现象，但Stress-BSL模型的预测误差更小，表现出了强逆压梯度下预测分离流动的优势。通过分析发现，2种模型对雷诺应力的低估导致了分离区较大。具体表现为SST模型引入的Bradshaw假设限制了湍动能的生成，使得模型计算的涡黏性系数偏小，强逆压梯度下低估边界层雷诺应力，导致流动分离提前。而分离区上缘处的雷诺应力预测偏小则被认为是流动再附滞后的主要原因。对于雷诺应力模型，误差主要来源于雷诺应力输运方程再分配项的模化不准。最后，针对上述原因，对SST模型关键封闭参数进行了重新标定，并进行了初步验证，结果表明修改后的模型预测表现好于原模型结果。