高温化学非平衡湍流边界层直接数值模拟

高超声速飞行器在特定工况下飞行时,其表面会存在湍流与化学非平衡耦合作用,但考虑化学反应的高温湍流边界层的研究工作还十分有限。选取高超声速楔形体头部斜激波后的流动状态,分别采用热完全气体模型、空气化学反应模型开展直接数值模拟(DNS)研究,对比分析了化学非平衡效应对湍流统计量、湍流脉动量的影响趋势,并研究了高温湍流边界层标度律。计算结果表明,以吸热离解反应为主的化学非平衡效应会使边界层平均温度和脉动温度显著降低,但对平均速度剖面、速度脉动、雷诺应力的影响较小;在高温化学非平衡湍流边界层的对数区,各流动参数的拓展自相似理论的相对标度指数基本符合标度律。     

BL模式在超声速湍流边界层中应用的检验

湍流模型是目前解决工程中湍流问题不可缺少的工具.然而它终究是建立在简化与假设的基础上的,其准确性必须经过实际的检验.对超声速边界层,由于缺乏系统的实验数据,检验工作很难做.本文以BL模型为例,通过可压缩湍流边界层的三个典型算例,与直接数值模拟(DNS)的结果作对比.分析了其成功及不足之处,以及影响其精度的若干因素,并检验了用BL模型预测转捩位置的有效性.     

化学非平衡边界层绕流计算

本文介绍用化学非平衡边界层方程组,数值计算高超声速钝头体绕流流场、组元浓度和电子密度分布情况。计算中考虑了电离空气的七种主要成分以及相互间的化学反应,比较了变熵、普朗特数及Lewis数的影响,讨论了完全催化壁和非催化壁两种情况,计算结果与文献及试验进行了比较,结果令人满意。     

马赫数为6的高超声速钝锥湍流边界层空间演化的直接数值模拟

首先求解了来流马赫数为6的零攻角高超声速钝锥边界层的层流基本流场,在选定的计算域入口引入一组有限幅值的T-S波扰动,用高精度差分格式对流动进行了直接数值模拟.引入的扰动触发了转捩,从而得到了空间模式下的湍流边界层.研究了湍流平均场与脉动场的统计特性,给出了相干结构的流动显示图,并对强雷诺比拟的结论进行了检验.     

马赫6柱-裙构型激波/湍流边界层干扰摩阻统计特性

为探究激波/边界层干扰表面摩阻统计特性,对马赫6柱-裙构型的激波/湍流边界层流场进行了直接数值模拟,推导了柱坐标形式的时均摩阻分解公式,将其与对流效应、流向不均匀性效应、分子黏性耗散效应、曲率效应和湍动能耗散关联起来,在此基础上对摩阻脉动和时均摩阻的统计特性进行了研究。概率密度分布结果表明干扰区内摩阻脉动概率密度明显偏离正态分布,摩阻脉动在该区域的间歇性较强,这与湍流脉动在激波干扰后存在显著内在可压缩性效应有关;谱功率密度结果表明摩阻脉动的能量在干扰前中频部分的能量占据主导,峰值对应频率约为0.14,干扰区后附近区域峰值位置转移到高频区域。采用摩阻分解公式对激波干扰前后的时均摩阻进行分解,结果表明时均摩阻的主要贡献来自分子黏性耗散效应和湍动能耗散效应;在激波干扰前分子黏性应力效应占据主导位置,干扰后湍动能耗散效应占据主导位置;激波干扰后对流效应明显增强,曲率效应的贡献在激波干扰前后基本保持不变;流向不均匀项贡献由正贡献变为负贡献,且所占比例有所上升,这主要是由压力梯度项的变化导致的。对分解后各项积分内函数沿法向分布的分析表明,分解后各项在边界层内分布呈现较大的差异,特别地,湍动能耗散项...     

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。     

超声速平板边界层旁路转捩直接数值模拟

采用具有七阶精度的有限差分格式和基于Euler方程组的特征边界条件,通过直接数值模拟研究了由固定相位周期性吹吸扰动诱导的、Ma∞=2.25、Re∞=2.5×107/m(635 000/inch)空间发展平板边界层的旁路转捩过程,并建立了相应的直接数值模拟数据库。数值结果表明:扰动相位的随机性并不是转捩发生的必要条件,固定相位周期性吹吸扰动即可诱发边界层的转捩;当采用固定相位时,随着吹吸频率的增加,转捩位置向下游移动;当扰动频率足够大时,周期性吹吸无法诱导出边界层的转捩。随后,在所得数据库中提取了速度及热力学变量的平均值,与已有的数据库和理论分析吻合良好;速度脉动均方根与公认的不可压缩平板边界层实验基本吻合;热力学变量脉动均方根和雷诺应力与已有数据库的统计结果及实验数据具有相同的分布特征。对比发现,不同转捩的诱导因素对平均转捩位置和热力学变量均方根、雷诺应力等高阶统计量的影响较大。     

Hypersonic shock wave and turbulent boundary layer interaction in a sharp cone/flare model

A direct numerical simulation of hypersonic Shock wave and Turbulent Boundary Layer Interaction(STBLI) at Mach 6.0 on a sharp 7° half-angle circular cone/flare configuration at zero angle of attack is performed. The flare angle is 34° and the momentum thickness Reynolds number based on the incoming turbulent boundary layer on the sharp circular cone is Re_θ = 2506. It is found that the mean flow is separated and the separation bubble occurring near the corner exhibits unsteadiness. The Reynolds analogy factor changes dramatically across the interaction, and varies between 1.06 and 1.27 in the downstream region, while the QP85 scaling factor has a nearly constant value of 0.5 across the interaction. The evolution of the reattached boundary layer is characterized in terms of the mean profiles, the Reynolds stress components, the anisotropy tensor and the turbulence kinetic energy. It is argued that the recovery is incomplete and the near-wall asymptotic behavior does not occur for the hypersonic interaction. In addition, mean skin friction decomposition in an axisymmetric turbulent boundary layer is carried out for the first time. Downstream of the interaction, the contributions of transverse curvature and body divergence are negligible, whereas the positive contribution associated with the turbulence kinetic energy production and the negative spatial-growth contribution are dominant. Based on scale decomposition, the positive contribution is further divided into terms with different spanwise length scales. The negative contribution is analyzed by comparing the convective term, the streamwise-heterogeneity term and the pressure gradient term.     

有压梯度边界层流中湍流斑形成的机制研究

人们虽然对层流向湍流转捩过程的研究已经付出了许多艰辛的努力,但仍然有一个重要的物理现象还没有弄清楚,即有压梯度边界层转捩过程中湍流斑形成的理论机制以及湍流斑的运动特征是什么?这些问题正有待于人们做进一步的深入探索.本文提出一种以壁面局部脉冲的初始小扰动场来模拟有压梯度边界层流中湍流斑形成的物理模型.采用直接数值模拟的方法研究有压梯度边界层流中湍流斑产生的理论机制和发展规律;数值结果显示,它们在好多方面与湍流斑的基本特征相符.     

湍流边界层相干结构空间拓扑形态的 层析TRPIV测量

用层析TRPIV(time-resolved paticle image velocimetry)技术精细测量了水洞中平板湍流边界层三分量速度的时空序列信号,提出了空间局部平均多尺度速度结构函数的新概念描述湍流多尺度涡结构的空间拉伸、压缩、剪切变形和旋转.用空间局部平均多尺度速度结构函数对湍流脉动速度进行了空间多尺度分解.用空间局部平均多尺度速度结构函数的新概念,根据湍流多尺度涡结构在空间流向的拉伸和压缩特征,提出了新的湍流相干结构条件采样方法,检测并提取了层析TRPIV数据中相干结构的“喷射”和“扫掠”事件中的速度、涡量等物理量的空间拓扑形态.发现在喷射和扫掠事件中均存在一对反向旋转的准流向“马蹄形”涡结构.      

Characteristics of reattached boundary layer in shock wave and turbulent boundary layer interaction

The reattached boundary layer in the interaction of an oblique shock wave with a flatplate turbulent boundary layer at Mach number 2.25 is studied by means of Direct Numerical Simulation(DNS). The numerical results are carefully compared with available experimental and DNS data in terms of turbulence statistics, wall pressure and skin friction. The coherent vortex structures are significantly enhanced due to the shock interaction, and the reattached boundary layer is characterized by large-scale...     

Mu-level法的湍流猝发频率检测技巧

针对mu-level法分析结果易受试验及检测参数影响的问题,详细探讨了该方法用于湍流猝发频率检测的适应性和提高其检测精度的技巧.通过对不同法向检测位置、采样频率、采样时间、门限值L及附加判定条件下湍流猝发频率的检测和对比分析,获取了各因素对湍流猝发频率检测的影响规律,探讨了提高湍流猝发频率检测准确性的可行途径,并总结了一套基于mu-level法的湍流猝发频率四步测试方法(试采样、试分析、采样、检测分析).      

展向振荡对激波/湍流边界层干扰的影响

周期振荡作为一种有效的壁面流动控制手段受到广泛关注,而其对激波/湍流边界层干扰的影响目前鲜有研究。本文采用高精度直接数值模拟（DNS）方法对马赫数2.9、12°激波入射角、强振荡下的激波/湍流边界层干扰进行了系统研究。通过与无振荡工况的定量比较,揭示了展向强振荡对干扰区内复杂流动结构的影响规律及作用机制,如分离泡尺度、物面压力脉动非定常特性、物面剪切的非定常特性及统计特征等。研究发现：在展向强振荡作用下,分离点位置提前,间歇区长度增大;同时由于分离泡内强黏性耗散的影响,展向振荡的穿透高度约为分离泡高度的4%,因而对流动结构不会产生实质影响。但展向强振荡会对壁面附近流动造成显著影响,如强振荡诱导的壁面展向速度远大于流向速度,造成流向剪切与展向剪切之间夹角的概率密度函数峰值从0°偏移到80°~90°之间。物面压力及剪切本征正交分解分析表明,展向振荡会导致模态能量从低阶模态向高阶模态转移,降低低频运动的能量占比,增强再附后Görtler涡等壁面附近旋涡结构的强度。     

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。     

周期性扰动对平板湍流边界层统计性质的影响

用IFA300热线风速仪和X形二分量热线探针精细测量了平板湍流边界层在施加不同频率的周期性吹吸扰动前后不同法向位置的瞬时流向、法向速度分量的时间序列信号.在平板湍流边界层的固壁表面沿展向切割一条5 mm宽的窄缝, 在平板底部用扬声器从壁面向平板湍流边界层内施加不同频率的周期性吹吸扰动, 研究不同频率的周期性扰动在平板湍流边界层内发展演化的规律及对平板湍流边界层统计性质的影响.