超聲速內(nèi)流問題在航空航天領域具有重要的應用背景,并在流動物理研究方面具有重要的科學意義。本文以超燃沖壓發(fā)動機的隔離段為背景,采用大渦模擬方法對幾種不同的直管道內(nèi)流問題進行了研究,包括直管道內(nèi)的正激波串問題和斜激波系問題、恒定背壓以及周期背壓作用下直管道內(nèi)的復雜流動問題。具體工作和研究成果如下:（1）研究了超聲速直管道內(nèi)流問題。合理模擬了實驗中觀測到的正激波串現(xiàn)象,系統(tǒng)分析了該問題中的若干基本流動現(xiàn)象,如正激波串、激波邊界層相互作用以及流場非定常特性等。流場中激波結構和分離剪切層對湍流統(tǒng)計量具有明顯的影響。結果表明,由于激波串的存在及其非定常特征,湍流強度以及湍動能在激波位置明顯增強。同時激波的非定常振蕩會導致壓力脈動量的增大。對湍動能輸運方程的分析表明,激波的非定常振蕩以及分離剪切層對湍動能的生成具有明顯的促進效應,而壓力脈動輸運方程的生成項顯示激波是壓力脈動生成的主要因素。進而研究了流場的非定常特性,通過對流場中的壓力脈動場進行本征正交分解（POD）分析,發(fā)現(xiàn)流場中激波串的非定常振蕩和剪切層的失穩(wěn)脫渦是流場非定常特性的主要因素。（2）研究了超聲速直管道內(nèi)復雜流動現(xiàn)象和不同壓力梯度下局... 

【文章來源】：中國科學技術大學安徽省 211工程院校 985工程院校

【文章頁數(shù)】：156 頁

【學位級別】：博士

【部分圖文】：

圖１．２?等截面直管道中正激波與邊界層相互作用的分類示意圖（Ｉｋｕｉ?ｅ纟ａ／．，?１９７４，?１９８１；?Ｍａｔｓｕｏ??ｅｔ?ａ／．，?１９９９〇??

?ｏｔｈｅｒｗｉｓｅ??圖３．３給出了經(jīng)過一段時間發(fā)展的湍流邊界層的平均流向速度經(jīng)ｖａｎ?Ｄｒｉｅｓｔ變??換后的分布。根據(jù)前人結論（Ｓｉｎｉｔｓ?＆?Ｄｕｓｓａｕｇｅ，?２００６），在可壓縮揣流邊界層中，經(jīng)??ｖａｎ?Ｄｒｉｅｓｔ變換后的平均速度在粘性底層（ｖｉｓｃｏｕｓ?ｓｕｂｌａｙｅｒ）的分布滿足線性律（ｌｉｎｅａｒ??ｌａｗ），即?＝?ｚ＋，在對數(shù)律區(qū)（ｌｏｇａｒｉｔｈｍｉｃ?ｌａｙｅｒ）滿足對數(shù)律（ｌｏｇ－ｌａｗ）關系，??＝?＋Ｉｎ＃＋?Ｃ。根據(jù)前人經(jīng)驗，湍流邊界層沿壁面法向可劃分為四個區(qū)域：粘性??底層（ｖｉｓｃｏｕｓ?ｓｕｂｌａｙｅｒ），緩沖層（ｂｕｆｆｅｒ?ｌａｙｅｒ），對數(shù)律區(qū)（ｌｏｇａｒｉｔｈｍｉｃ?ｌａｙｅｒ）和尾跡律??區(qū)（ｗａｋｅ?ｒｅｇｉｏｎ）?（Ｐｏｐｅ，?２０００）。其中前兩個區(qū)域通稱為邊界層內(nèi)層（ｉｎｎｅｒ?ｌａｙｅｒ），后??兩個區(qū)域為邊界層外層（ｏｕｔｅｒ?ｌａｙｅｒ）?（Ｐｉｒｏｚｚｏｌｉ?ｅｆｄ．，２００８）。粘性底層的分布區(qū)域大??－２３－??

所以對數(shù)率區(qū)的范圍更小。從圖中可以看出，我們的結果與前人結論吻合良??好，證明了入口湍流邊界層合成的合理性。??為了驗證當前計算結果的正確性，圖３．４給出了實驗與計算所得的壁面平均壓力??分布以及中心線上平均馬赫數(shù)分布的對比。實驗數(shù)據(jù)來自Ｃａｒｒｏｌｌ?＆?Ｄｕｔｔｏｎ?（１９９２）的??結果，計算數(shù)據(jù)為時間和展向平均后的結果。從圖中可以看出，計算所得的結果與??實驗數(shù)據(jù)吻合良好，證明了計算的可靠性。同時，圖中給出了不同網(wǎng)格分辨率下結??果對比，通過比較可知網(wǎng)格分辨率得到了有效地驗證。同時，我們進一步對網(wǎng)格１??的柯氏尺度（Ｋｏｌｍｏｇｏｒｏｖ?Ｓｃａｌｅ）進行討論�？率铣叨龋ǎ耍铮欤恚铮纾铮颍铮�?Ｓｃａｌｅ）的定義如下??３?７１??＾???Ｕｎｄｉｓｔｕｒｂｅｄ?ｂｏｕｎｄａｒｙ?ｌａｙｅｒ??２０?－?〇?２．４４１ｏｇｚ＋＋５．２??＋?〇?－?Ｅｘｐ．??１５?－?▲?Ｍｏｒｇａｎ?ＬＥＳ??－Ｊ??Ｑ?｜?＿＿Ｌｉ?ｉ?ｉ?ｉ?．?ｉ?ｉ?＿ｌ?ｉ?ｉ?１?ｉ?１?ｉ?．?ｉ?ｉ?ｉ?ｉ?ｉ?ｉ?ｉ?■?Ｉ?ｉ?ｉｉ?．ｉ＇ｌｌ??１０＇２?１０＇１?１０°?１０１?１０２?１?０３?１?０４??＋??ｚ??圖３．３?揣流邊界層ｖａｎ?Ｄｒｉｅｓｔ變換后的平均流向速度分布。??－２４－??

【參考文獻】：
期刊論文
[1]Interaction between strain and vorticity in compressible turbulent boundary layer[J]. CHU You Biao,WANG Li,LU Xi Yun.  Science China（Physics,Mechanics & Astronomy）. 2014(12)
[2]Ma5斜激波串動態(tài)特性實驗研究[J]. 田旭昂,王成鵬,程克明.  推進技術. 2014(08)
[3]高超飛行器內(nèi)流道激波振蕩問題的數(shù)值研究及試驗驗證[J]. 郭善廣,柳軍,金亮,羅世彬.  實驗流體力學. 2012(01)
[4]出口封閉的沖壓發(fā)動機進氣道激波振蕩現(xiàn)象[J]. 孟宇鵬,朱守梅,閆曉娜.  推進技術. 2011(05)
[5]超燃沖壓發(fā)動機隔離段非對稱來流下激波串受迫振蕩流動研究[J]. 曹學斌,張堃元.  空氣動力學學報. 2011(02)



本文編號：3213663