Analysis on capabilities of density-based solvers within OpenFOAM to distinguish aerothermal variables in difusion boundary layer

Open source feld operation and manipulation（OpenFOAM）is one of the most prevalent open source computational fluid dynamics（CFD）software.It is very convenient for researchers to develop their own codes based on the class library toolbox within OpenFOAM.In recent years,several density-based solvers within OpenFOAM for supersonic/hypersonic compressible flow are coming up.Although the capabilities of these solvers to capture shock wave have already been verifed by some researchers,these solvers still need to be validated comprehensively as commercial CFD software.In boundary layer where diffusion is the dominant transportation manner,the convective discrete schemes＇capability to capture aerothermal variables,such as temperature and heat flux,is different from each other due to their own numerical dissipative characteristics and from viewpoint of this capability,these compressible solvers within OpenFOAM can be validated further.In this paper,frstly,the organizational architecture of density-based solvers within OpenFOAM is analyzed.Then,from the viewpoint of the capability to capture aerothermal variables,the numerical results of several typical geometrical felds predicted by these solvers are compared with both the outcome obtained from the commercial software Fastran and the experimental data.During the computing process,the Roe,AUSM＋（Advection Upstream Splitting Method）,and HLLC（Harten-Lax-van Leer-Contact）convective discrete schemes of which the spatial accuracy is 1st and 2nd order are utilized,respectively.The compared results show that the aerothermal variables are in agreement with results generated by Fastran and the experimental data even if the1st order spatial precision is implemented.Overall,the accuracy of these density-based solvers can meet the requirement of engineering and scientifc problems to capture aerothermal variables in diffusion boundary layer.     

浅析高空长航时无人机的气动研究问题

叙述了高空长航时无人机的现状和作用,讨论了它的主要气动特征,评述了可行的分析、设计技术。认为XFOIL技术具备了处理边界层转捩、分离、分离泡的能力,可望在我国高空长航时无人机的气动设计中发挥一定作用。     

二维抛物化稳定性方程的特征分析

在对抛物化稳定性方程(PSE)的基本流场没有做任何近似假定的情况下,分析了PSE的特征性质。分析表明,当法向速度不为零时,PSE有一个非零主特征值,其余主特征值都为零。PSE的次特征值与扰动波的空间波数α有关,α的实部代表扰动波的波动情况,它可以直接导致复特征值出现;α的虚部表示扰动波的增长(衰减)情况,当它的绝对值超过一定范围时,也会在边界层内亚声速区的局部区域导致复特征值出现。增大求解PSE的空间推进步长,可以克服PSE的椭圆性。     

利用均匀抽吸地板进行高速列车模型地板边界层影响的试…

在ＫＤ－０３低速风洞中研制了一种边界层可人为的均匀抽吸地板，研究了在各种来流速度下均匀抽吸地板上边界层与抽吸系数的关系。在该地板上对高速列车模型气动力与地板边界层的关系进行了实验研究。对实验的几种模型状态，边界层吸附使列车模型所受阻力、负向升力和低头力矩均明显增加，其增量与模型底部形状有关；在有侧滑角时，边界层吸附对模型气动力的六个分量均有影响。在没有边界层控制的固定地板上进行高速列车模型风洞实验     

纵向涡对矩形通道内湍流流动特征影响的实验研究

本研究用风洞实验对矩形通道湍流边界层内嵌入的涡发生器参数进行了筛选；测量了单个涡发生器沿纵向对双侧壁面近壁边界层流场的干扰特性和通道嵌入涡偶的流动特性。找出了通道内嵌入涡发生器形成对近壁边界层流场干扰的较理想的涡发生器参数和涡偶的布局形式。     

热化学非平衡高超声速平板边界层线性稳定性分析

高超声速边界层流动转捩是近期空气动力学研究的热点问题。对于环境扰动较小的自然转捩过程,稳定性分析已被证明是研究扰动演化的重要手段。另一方面,高超声速边界层内的温度会随着马赫数的升高而快速上升,极高的温度会引起所谓的高温真实气体效应,使得量热完全气体假设失效,从而对边界层稳定性和转捩产生影响。本文针对高温热化学非平衡气体,利用空气5组分模型开展了平板边界层的线性稳定性分析,重点研究了热化学过程对模态稳定性的影响,并探究了边界层离散谱模态的演化和同步过程。研究表明,对于由第二模态主导的高超声速二维边界层:(1)扰动相比基本流更趋向于热化学冻结态;(2)扰动方程中新出现的非平衡源项的扰动项对稳定性影响很小,非平衡过程主要是通过改变基本流剖面来间接影响稳定性;(3)声速是影响第二及更高模态的重要参数,热化学平衡态假设引起的声速计算式的变化能够解释边界层温度和厚度降低时第二模态频率反而降低的非常规趋势。     

高湍流度对平板边界层传的热影响

在雷诺数为１０６—１０７之间对０．１％—２５％湍流度的自由来流流过平板边界层传热问题进行了实验与数值研究。实验是在吸入式风洞内进行，用自由来流冷却加热平板，自由来流的湍流度可高达３０％。计算模型针对二维定常流，采用代数应力（热流）湍流模型，用ＳＩＭＰＬＥ算法进行计算。结果表明：高湍流度自由来流可使平板的平均Ｓｔａｎｔｏｎ数增加８５％。     

非线性EASM在激波与湍流边界层相互作用中的数值应用

采用基于k-ω湍流模型的非线性显式代数应力模型(EASM)对超燃冲压发动机常用的超声速凹槽、压缩拐角和侧壁压缩进气道简化模型的激波与湍流边界层的相互作用进行了计算,主要研究了EASM 模型对壁面压强、摩阻、Stanton数和壁面摩擦力线的计算精度,计算结果与SST(shear stress transport)模型进行...     

粗糙物面引起的超声速边界层转捩现象研究

采用风洞实验和数值模拟方法研究平板表面圆柱形粗糙单元引起的M=3超声速边界层转捩问题。实验采用纳米粒子示踪平面激光散射技术（NPLS）对流动结构进行测量。共考察了1mm、2mm和4mm三个不同的粗糙度条件。采用五阶精度加权紧致非线性格式（WCNS-E-5）对风洞实验进行数值模拟和对比。实验及计算表明：粗糙元对边界层干扰后诱导了尾迹流向涡的形成,流向涡通过抬升机制产生剪切层和流向速度条带等不稳定结构;实验流动图像显示,剪切层不稳定在边界层转捩过程中起重要作用;随着粗糙元高度增加,流动分离范围和转捩区域明显扩大,转捩位置有提前的趋势。