發(fā)布時(shí)間：2017-07-08 05:05

  本文關(guān)鍵詞：高超聲速三維邊界層e-N方法的應(yīng)用及擾動演化的預(yù)測

  更多相關(guān)文章： e-N方法 小擾動演化 鞍點(diǎn)法 相容關(guān)系 射線跟蹤理論

【摘要】：隨著高超聲速技術(shù)的發(fā)展,國內(nèi)外對高超聲速三維邊界層流動轉(zhuǎn)捩預(yù)測的關(guān)注度越來越高,與轉(zhuǎn)捩預(yù)測的研究需求也越來越多,轉(zhuǎn)捩預(yù)測成為流體力學(xué)的研究熱點(diǎn)之一。在將二維邊界層的轉(zhuǎn)捩預(yù)測方法推廣到三維邊界層中時(shí),會遇到許多問題,最主要的是擾動的波數(shù)如何確定的問題。本文開展了對波參數(shù)關(guān)系的研究,從理論上建立了波參數(shù)虛部的守恒關(guān)系,為簡化鞍點(diǎn)法的e-N方法提供了理論基礎(chǔ)。依此,利用簡化后的e-N方法對工程中遇到的高超聲速復(fù)雜邊界層進(jìn)行了轉(zhuǎn)捩預(yù)測,實(shí)現(xiàn)了e-N方法在工程實(shí)際問題中的應(yīng)用。e-N方法中的鞍點(diǎn)法,考慮的是當(dāng)?shù)氐淖钗ｋU(xiǎn)的情況,是一種保守估計(jì)。為了能更細(xì)致的預(yù)測擾動演化,本文基于線性穩(wěn)定性理論研究了高超聲速三維邊界層中擾動的傳播過程,提出了分析和預(yù)測擾動演化的方法,亦是為精細(xì)的流動轉(zhuǎn)捩預(yù)測提供基礎(chǔ)。本文研究的具體內(nèi)容和結(jié)論如下:1.本文根據(jù)邊界層擾動演化的色散關(guān)系,推導(dǎo)了波參數(shù)虛部的守恒關(guān)系。該守恒關(guān)系為在采用鞍點(diǎn)法的e-N方法中使用Mack建議的簡化方法提供了理論依據(jù)。該簡化方法由于減少了一重迭代過程,大大地提高了計(jì)算效率,本文在后掠角翼型和組合體飛行器上,檢驗(yàn)了該簡化方法的有效性。2.本文完成了一個(gè)適用于工程模型形成的復(fù)雜三維邊界層流動的穩(wěn)定性分析和轉(zhuǎn)捩預(yù)測程序,并用該程序?qū)σ粋�(gè)類Hy Bo LT實(shí)驗(yàn)的模型和一個(gè)由錐-柱-板形狀組成的組合體飛行器模型進(jìn)行了轉(zhuǎn)捩預(yù)測分析,給出了不同高度和不同攻角工況下的N值分布,同時(shí)對高度和攻角對轉(zhuǎn)捩的影響做了分析。3.本文將內(nèi)波理論中的相容關(guān)系和射線跟蹤理論引入到了三維邊界層的擾動波數(shù)預(yù)測中,分別建立了一般三維邊界層中的擾動波數(shù)演化的計(jì)算方法。以使用擾動方程數(shù)對擾動演化數(shù)值模擬的結(jié)果為基礎(chǔ),對使用相容關(guān)系和射線跟蹤理論得到的結(jié)果進(jìn)行了檢驗(yàn),結(jié)果顯示出使用這兩種方法均可以較好地預(yù)測出擾動波數(shù)和幅值的演化情況。4.本文對固定展向波數(shù)的LST方法和鞍點(diǎn)法得到的群速度路徑與數(shù)值模擬得到的結(jié)果進(jìn)行了比較,結(jié)果顯示,固定展向波數(shù)的LST方法一般不能給出正確的結(jié)果,鞍點(diǎn)法的結(jié)果一般給出的擾動幅值增長過大。本文還從理論上分析了鞍點(diǎn)法結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果不同的原因,指出鞍點(diǎn)法是一種保守的計(jì)算方法。5.本文通過數(shù)值模擬的結(jié)果,利用射線跟蹤理論和相容關(guān)系的計(jì)算結(jié)果,研究了三維邊界層中擾動的傳播方向。結(jié)果表明,擾動的幅值演化時(shí)沿著群速度方向前進(jìn)。在模擬組合體飛行器模型中錐面上的小擾動演化時(shí)發(fā)現(xiàn),在該三維流場中,觀測到的波包峰值位置的軌跡,在下游并不一定是擾動的群速度路徑,很有可能是流動不穩(wěn)定區(qū)域的邊界線。6.在數(shù)值計(jì)算方面,本文詳細(xì)介紹了為了使程序能夠適應(yīng)一般的三維復(fù)雜模型,針對線性穩(wěn)定性理論的網(wǎng)格處理過程,并提出了一種針對三維結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的空間插值方法,實(shí)現(xiàn)了將一般曲線坐標(biāo)向隨體坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換,為三維復(fù)雜模型實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定性分析提供了基礎(chǔ)。7.本文根據(jù)波參數(shù)虛部的守恒關(guān)系,討論了“在后掠翼邊界層中,沿弦向和沿群速度方向計(jì)算小擾動的演化結(jié)果是相同的”現(xiàn)象,在理論上給出了分析,并由此得到結(jié)論:沿不同方向計(jì)算得到的幅值增長率,在群速度方向的投影分量是相同的。
【關(guān)鍵詞】：e-N方法 小擾動演化 鞍點(diǎn)法 相容關(guān)系 射線跟蹤理論
【學(xué)位授予單位】：天津大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：V211
【目錄】：

• 中文摘要4-6
• Abstract6-14
• 字母注釋表14-16
• 第一章 緒論16-34
• 1.1 邊界層流動的轉(zhuǎn)捩16-21
• 1.2 常用的邊界層擾動演化及轉(zhuǎn)捩預(yù)測的方法21-24
• 1.3 e-N方法在高超聲速邊界層流動轉(zhuǎn)捩預(yù)測的應(yīng)用情況24-28
• 1.4 邊界層內(nèi)小擾動演化預(yù)測的研究情況28-30
• 1.5 本文的主要工作30-34
• 第二章 擾動方程及數(shù)值方法34-50
• 2.1 擾動方程34-36
• 2.2 擾動方程的離散格式36-40
• 2.3 三維邊界層流場的貼體網(wǎng)格40-50
• 第三章 e-N方法在三維邊界層中的推廣50-58
• 3.1 常見的轉(zhuǎn)捩預(yù)測方法50-51
• 3.2 增長率的守恒關(guān)系及鞍點(diǎn)法的簡化51-55
• 3.3 后掠翼邊界層不同方向增長率間的關(guān)系55-58
• 第四章 三維邊界層中擾動演化預(yù)測的理論58-64
• 4.1 三維邊界層中擾動的形式58-59
• 4.2 波的傳播及波參數(shù)間的關(guān)系59-60
• 4.3 擾動波參數(shù)的相容關(guān)系60-61
• 4.4 三維邊界層中的射線跟蹤理論61-64
• 第五章 三維邊界層中e-N方法應(yīng)用64-84
• 5.1 使用e-N方法進(jìn)行流動轉(zhuǎn)捩預(yù)測的計(jì)算流程總覽64-65
• 5.2 類HyBoLT實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ惋w行器前體的轉(zhuǎn)捩預(yù)測65-70
• 5.3 錐-柱-板組合體飛行器的轉(zhuǎn)捩預(yù)測70-84
• 第六章 高超聲速三維邊界層中擾動演化的預(yù)測84-106
• 6.1 計(jì)算程序的驗(yàn)證84-86
• 6.2 三維邊界層中展向波包擾動的演化86-92
• 6.3 三維邊界層中擾動波數(shù)變化的計(jì)算與分析92-100
• 6.4 對鞍點(diǎn)法的評估100-102
• 6.5 各種計(jì)算展向波數(shù)方法的討論102-103
• 6.6 本章小結(jié)103-106
• 第七章 總結(jié)106-108
• 參考文獻(xiàn)108-114
• 發(fā)表論文和參加科研情況說明114-116
• 附錄116-120
• 致謝120-121

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本文編號：533095