高超声速二方程湍流模型的数值模拟对比

对基于Reynolds和Favré(密度加权)混合平均的二方程湍流模型进行了修正,同时根据数值模拟高超声速流动时必须具有高分辨率捕捉间断面与在边界层内抑制数值粘性的能力的要求,提出了新的总变差减小(TVD)格式熵修正函数.在此基础上,通过对压缩拐角的高超声速湍流的数值模拟,对基于Reynolds和Favré混合平均的二方程湍流模型,以及其它不可压缩模型及可压缩性修正模型进行了对比,显示了不同湍流模型及可压缩性修正在计算壁面压力分布和热流分布上的特点,说明了对高超声速压缩拐角型流动,湍流模型可压缩修正的必要性,得到了基于Reynolds和Favré混合平均的二方程湍流模型的计算结果最接近实验结果.      

基于非湍流脉动动能方程的高超声速转捩预测

通过求解基于稳定性理论的非湍流脉动动能输运方程,预测了来流Ma为5.91的裙锥绕流流动的层流-湍流转捩点,并采用SST(Shear-Stress Transport)湍流模型结合代数间歇因子模型对转捩流场进行了数值模拟.结果表明非湍流脉动动能输运方程模型可以很好地捕捉逆压梯度对转捩前期边界层内的不稳定波动频率的影响.等温壁面条件下计算得到的转捩位置与静风洞实验结果基本一致.壁面冷却促进第2模态不稳定波动的增长,使转捩提前发生.代数间歇因子模型模拟高马赫数流动的转捩区长度较短,温度峰值偏低.     

后掠角对后掠机翼边界层稳定性及转捩的影响

后掠机翼边界层流动稳定性及转捩对翼型的设计及优化有着重要的参考价值,而机翼后掠角是引起后掠机翼边界层横流失稳的关键参数之一.以NACA0012翼型为研究对象,通过求解三维可压缩Navier-Stokes方程计算了展向无限长后掠机翼的基本流场;通过求解Orr-Sommerfeld方程得到了扰动Tollmien-Schishting波演化的中性曲线及幅值曲线,研究了后掠角对后掠机翼边界层流动稳定性的影响;最后采用eN方法进行了转捩预测.研究发现,随后掠角的增大,横流强度和扰动幅值放大指数n均先增加后减小,且后掠角在40°~50°之间横流强度达到最大值.当后掠角在50°左右时,用转捩预测eN方法计算的幅值增长指数N值最大,导致转捩发生所需的初始扰动幅值最小,转捩最易发生.      

基于Transition SST模型的高雷诺数圆柱绕流数值研究

为了研究高雷诺数下圆柱绕流边界层的转捩现象和圆柱尾迹近壁区的流动特征,首先通过在典型雷诺数下采用Transition SST四方程转捩模型模拟圆柱绕流得到的结果与实验结果及采用SST k-ω两方程湍流模型模拟结果的对比分析,验证了Transition SST模型在模拟高雷诺数下圆柱绕流的优越性,并较为准确地预测出了圆柱绕流边界层的转捩现象及尾迹近壁区的流动特征。然后分别对亚临界区、临界区、超临界区和过临界区的圆柱绕流问题进行了数值模拟,分析了不同雷诺数下圆柱绕流的流场结构及圆柱表面压力系数、摩擦力系数的变化规律,研究了圆柱绕流近壁区的流动特征、边界层转捩的流动机理、转捩位置及其随雷诺数的变化规律。结果表明,亚临界区二维圆柱绕流边界层发生层流分离,无分离泡和转捩现象;临界区和超临界区二维圆柱绕流边界层先产生了分离泡现象,之后流动发生了转捩并在转捩后发生湍流分离;过临界区二维圆柱绕流边界层流动在转捩之后发生湍流分离,无分离泡现象;在临界区、超临界区和过临界区,二维圆柱绕流边界层转捩位置随雷诺数增大向前驻点移动。     

激波风洞7°尖锥边界层转捩实验研究

高超声速边界层转捩对摩阻、传热等有重要影响,飞行器的研制迫切希望能精确预测和控制边界层转捩。在JF8A激波风洞中开展了7°半锥角的高超声速尖锥边界层转捩实验研究,利用响应频率达到1 MHz量级的高频压力传感器对尖锥壁面脉动压力进行了测量,并结合热流测量结果,研究了高超声速尖锥边界层中扰动波的发展过程。实验结果表明:JF8A激波风洞在雷诺数为6.4×106/m状态下核心流的自由流噪声为2.8%;高频脉动压力测量技术能清晰地捕捉转捩过程中的第二模态波及其发展历程,试验状态下模型的第二模态波频率范围为165~206 kHz。当前研究结果能够为高超声速数值方法验证提供数据支撑。      

用GAO-YONG湍流模式对翼型跨音粘流的数值模拟

应用GAO-YONG可压缩湍流模式,数值模拟了NACA0012,RAE2822翼型的定常跨音速粘流算例.对流项采用三阶ROE格式,扩散项采用二阶中心格式,用多步Runge-Kutta显式时间推进法求解空间离散后的控制方程.计算结果很好地预测了翼型表面的压力系数的分布、激波的位置、马赫数等值线的分布等情况,并且对翼型表面激波与边界层相互干扰以及层流向湍流的转捩问题进行了分析计算.计算结果与实验值符合很好,表明GAO-YONG可压缩湍流模式应用合适的计算方法能够高精度模拟翼型跨音粘性流动问题,并且基于GAO-YONG可压缩湍流模式各向异性湍流粘性的机理,提供了一种预测转捩起始位置的判别方法.      

防冰表面的对流换热计算分析

利用动量和热边界层积分分析的方法对采用电热防冰的二维机翼对流换热系数进行了数值计算,比较了等温突捩以及变温光滑两种不同的边界层模型.层流向湍流转捩的起始点位置和过渡区域的长度由经验公式判断,并通过内外热流耦合迭代求解得到了防冰表面的平衡温度,与文献试验值进行了比较.所得结果表明:加入过渡区模型可较好地预测对流换热系数及防冰表面温度.同时,结果还表明环境压力变化对换热系数的的影响较大.      

近壁区理论耗散率模型的改进

提出了在边界层的近壁区,采用共振三波的理论模型描述湍流边界层相干结构,由此解决了对称三维波理论模型不能处理三阶相关量的问题,根据新的理论模型对ε方程逐项进行计算和分析.与原理论模型计算结果相比,本文理论结果与直接数值模拟(DNS)符合更好.     

来流湍流度对边界层发展的影响

应用ＬＤＶ（Ｌａｓｅｒ Ｄｏｐｐｌｅｒ Ｖｅｌｏｃｉｍｅｔｅｒ）测速技术及氢气泡流动显示技术对水流中平板边界层的发展进行了详细的观测，研究了来流湍流度对边界层转捩、湍流边界层特性等的影响，得到了层流边界层、转捩区、湍流边界层区的分区界限，在本实验条件下，来流湍流度对边界层转捩有非常明显的作用，但对湍流边界层的特性影响不大。     

粗糙度对涡轮叶片流动转捩及传热特性的影响

为研究表面粗糙度对涡轮叶片流动转捩以及传热特性的影响,在自行开发的CFD程序平台上提出了对γ-Re_θ转捩模型的粗糙度修正方法,并参考平板绕流和涡轮叶栅的实验数据对该方法进行验证。考虑粗糙度效应的影响,对Mark Ⅱ涡轮导叶5411工况进行数值模拟,得到如下结论:表面粗糙度对层流边界层换热系数影响不大,而对湍流边界层则有较大影响,进而显著改变壁面温度分布;与光滑壁面相比,5μm的等效沙粒粗糙度使吸力面湍流区域壁面温度升高约5.7K,100μm粗糙度使壁面温度升高28.4 K,增幅达5%左右;当壁面粗糙度较低时,激波干涉对吸力面边界层的转捩起主导作用,而当粗糙度大于某临界值时,其作用会使转捩位置突然变化,本算例中该临界值近似为150μm。      

Boundary-layer analysis for the convection/diffusion transition in dendritic growth

Earlier ground-based studies have shown that a sharp transition occurs in the dominant mode of heat transport during dendritic solidifcation. Specifically, convective heat transport dominates below the transition supercooling and diffusive heat transport dominates above. Thus the influence of gravitational acceleration on dendritic crystallization depends critically on the overall thermodynamic driving force. Since many practical solidification processes occur at relatively small supercoolings, understanding the nature of the transition in transport mode is essential for both terrestrial and space processing. A boundary-layer analysis has been carried out wherein the diffusion boundary-layer thickness (Stefan length) is compared with the thermal boundary layer thickness determined from the fluid mechanics of natural convection. Our analysis shows that the Stefan length δ_S decreases rapidly with supercooling (ΔT^?2.5) whereas the thermal boundary layer thickness δ_T decreases slowly (ΔT^?.25). The transition supercooling at which the transport mode switches from convective to diffusive occurs where δ_T = δ_S. The influence of gravitational acceleration, and the thermo-physical properties of the molten phase will be discussed, along with avenues for conducting future research.     

后向台阶层流边界层分离实验研究

本文应用偏振差动式激光测速仪对后向台阶层流边界层分离、再附及发展为湍流边界层的整个过程进行了精细的量测,得到了时均速度、湍流强度等的分布特性。我们发现,在本实验条件下,层流边界层分离后在再附点处为过渡流,进一步发展最后形成湍流边界层。在湍流边界层区域,流速分布遵循对数律,但积分常数比平板湍流边界层中所得值要大。     

带喷流的超声速光学头罩流动显示

在马赫数3.8的超声速风洞中,以高时空分辨率的基于纳米示踪的平面激光散射(NPLS,Nano-tracer based Planar Laser Scattering)技术为实验手段,研究了有无喷流的超声速光学头罩流场的精细结构,清晰地再现了流场中的激波、膨胀波、剪切层和湍流边界层等复杂结构.通过分析时间相关的流场NPLS图像,可以发现流场结构随时间的演化特性.结果表明:无喷流情况下光学窗口上方的大部分流场处于层流状态;有喷流情况下剪切层的层流区域较短,在很短的距离内转捩至湍流状态;喷流出口压力高于外界压力情况下剪切层的转捩位置比压力匹配情况下较为靠前,光学窗口上方的涡结构也较为复杂.比较而言,后者对气动光学性能的影响更大.     

磁层亚暴恢复期间等离子片边界层区的Kelvin—Helmholtz不稳定性

本文根据两个理想的磁流体力学模型研究了磁层亚暴恢复期间等离子体片边界层区的Kelvin-Helmholtz不稳定性。一个模型由三个均匀的等离子体区组成--北尾瓣、等离子体片和南尾瓣。在此模型里,不稳定模式在北(或南)尾瓣和等离子体片之间的边界面上激发。另一个模型由五个均匀的等离子体区组成--北尾瓣、等离子体片北边界层、等离子体片中间层、等离子体片南边界层和南尾瓣,在等离子体片边界层区存在着两种不稳定模式,一种在等离子体片的北(或南)边界层和中间层之间的边界表面上激发(模式Ⅰ);另一种在等离子体片北(或南)边界层和北(或南)尾瓣之间的边界面上激发(模式Ⅱ).模式Ⅰ多数时间是不稳定的。这些不稳定模式可能引起卫星观测到的等离子体边界层的一些特征。