為了揭示膨脹效應(yīng)對(duì)激波/湍流邊界層干擾區(qū)內(nèi)復(fù)雜流動(dòng)現(xiàn)象的影響規(guī)律,采用直接數(shù)值模擬方法對(duì)來流馬赫數(shù)2.9、30°激波角的入射激波與10°膨脹角湍流邊界層相互作用問題進(jìn)行了數(shù)值研究。系統(tǒng)地探討了激波入射點(diǎn)分別位于膨脹角上游、膨脹角角點(diǎn)和膨脹角下游3種工況下膨脹角干擾區(qū)內(nèi)若干基本流動(dòng)現(xiàn)象,如分離泡、物面壓力脈動(dòng)及激波非定常運(yùn)動(dòng)、湍流邊界層統(tǒng)計(jì)特性和相干結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)過程等。結(jié)果表明,激波入射點(diǎn)流向位置改變對(duì)分離區(qū)流向和法向尺度的影響顯著,尤其是當(dāng)激波入射點(diǎn)位于角點(diǎn)及其下游區(qū)域。研究發(fā)現(xiàn),膨脹角干擾區(qū)內(nèi)物面壓力脈動(dòng)強(qiáng)度急劇減小,分離區(qū)內(nèi)壓力波向下游傳播速度將降低而在膨脹區(qū)內(nèi)將升高,膨脹效應(yīng)極大地抑制了分離激波的低頻振蕩運(yùn)動(dòng)。相較于入射激波與平板湍流邊界層干擾,入射激波流向位置改變對(duì)膨脹角再附區(qū)速度剖面對(duì)數(shù)區(qū)及尾跡區(qū)影響顯著,將導(dǎo)致其內(nèi)層結(jié)構(gòu)參數(shù)升高而外層降低,近壁區(qū)內(nèi)將呈現(xiàn)遠(yuǎn)離一組元湍流狀態(tài)的趨勢。此外,流向速度脈動(dòng)場本征正交分解分析指出,主模態(tài)空間結(jié)構(gòu)集中在分離激波及剪切層根部附近而高階模態(tài)以邊界層內(nèi)小尺度正負(fù)交替脈動(dòng)結(jié)構(gòu)為主。低階重構(gòu)流場結(jié)果表明,前者對(duì)應(yīng)為分離泡低頻膨脹/收縮過程而后者表征... 

【文章來源】：航空學(xué)報(bào). 2020,41(03)北大核心EICSCD

【文章頁數(shù)】：20 頁

【部分圖文】：

圖6 分離泡高度沿流向分布

如圖1所示，計(jì)算模型為入射激波與平板/膨脹角湍流邊界層的相互作用問題。氣流方向?yàn)閺淖笸�，坐�?biāo)系原點(diǎn)取為膨脹角角點(diǎn)處，膨脹角為10°，入射激波的激波角為30°。Xin和Xup分別對(duì)應(yīng)為入射激波在物面上的名義入射點(diǎn)和在上邊界的入射點(diǎn)位置。通過改變計(jì)算域上邊界中Xup的流向位置使得入射激波打在膨脹角壁面上不同的流向位置Xin。計(jì)算域流向長度為Lx=470mm，流向跨度為-363mm<x<107mm，其中平板區(qū)和膨脹區(qū)長度分別為363mm和107mm。法向高度為Ly=60mm，展向?qū)挾葹長z=14mm。邊界條件的設(shè)置具體如下。首先，計(jì)算域入口處（Inlet）取為相同來流下的層流解。為了消除擾動(dòng)波反射對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，在計(jì)算域的出口處（Outlet）使用了超聲速出口無反射邊界條件及緩沖區(qū)。物面邊界為無滑移和等溫壁，展向取為周期性邊界條件。在計(jì)算域的上邊界，入射點(diǎn)Xup的左側(cè)取為無反射自由來流邊界（Non-reflecting），而在入射點(diǎn)Xup右側(cè)的流動(dòng)參數(shù)取為按照Rankine-Hugoniot關(guān)系式給出的波后值。此外，膨脹角上游的充分發(fā)展湍流邊界層則是通過采用文獻(xiàn)[26]中的壁面吹吸方法生成。在計(jì)算域?qū)恿魅肟谙掠蔚钠桨灞诿妫?335mm<x<-315mm）添加多頻正弦波擾動(dòng)促使流動(dòng)發(fā)生轉(zhuǎn)捩，隨后在平板下游x=-60mm處獲得充分發(fā)展的湍流邊界層，采用的擾動(dòng)幅值和頻率均與文獻(xiàn)[16-18]相同。具體來流條件如下：來流馬赫數(shù)為Ma∞=2.9，基于單位長度的來流雷諾數(shù)為Re∞=5 581.4mm-1，來流靜溫為T∞=108.1K，壁面溫度取為Tw=307K。計(jì)算的DNS工況分別為Case1～Case4，其中Case1為無膨脹情況下入射激波/平板湍流邊界層干擾，Case2～Case4為膨脹角入射激波/湍流邊界層干擾，其壁面上名義入射點(diǎn)位置Xin分別對(duì)應(yīng)為膨脹角點(diǎn)上游、角點(diǎn)處以及角點(diǎn)下游3種工況。為了更好地揭示膨脹效應(yīng)的影響，這里通過調(diào)整Xup將Case1和Case3的壁面入射點(diǎn)位置Xin均取為0,Case2和Case4的入射點(diǎn)Xin則分別取在角點(diǎn)上下游約δ的位置處（δ對(duì)應(yīng)為上游參考點(diǎn)ref處的湍流邊界層厚度，見圖1）。各工況中其他DNS參數(shù)設(shè)置均完全相同。

DNS計(jì)算時(shí)，在經(jīng)過兩個(gè)無量綱時(shí)間（Lx/U∞）后流場達(dá)到統(tǒng)計(jì)定常狀態(tài)，隨后對(duì)瞬態(tài)場進(jìn)行統(tǒng)計(jì)采樣�？偀o量綱采樣時(shí)間跨度約為500δ/U∞，物面壓力脈動(dòng)信號(hào)的采樣間隔為0.06δ/U∞，共獲得400個(gè)三維瞬態(tài)流場樣本。如無特別說明，本文所指的平均定義為時(shí)間和展向平均。2 流場結(jié)構(gòu)

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]斜激波總壓損失率極小值理論解與物理意義[J]. 史愛明,Earl HDOWELL.  航空學(xué)報(bào). 2018(12)
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[3]超聲速壓縮拐角激波/邊界層干擾動(dòng)力學(xué)模態(tài)分解[J]. 童福林,李新亮,段焰輝.  航空學(xué)報(bào). 2017(12)



本文編號(hào)：3330573