有局部稀薄氣體效應(yīng)的高超聲速流動數(shù)值模擬
發(fā)布時(shí)間:2021-10-17 07:56
近空間高超聲速飛行器當(dāng)飛行高度和速度足夠高時(shí),其流場計(jì)算可能要考慮稀薄氣體效應(yīng),傳統(tǒng)的計(jì)算流體力學(xué)(CFD)方法預(yù)測的阻力和升阻比將不夠準(zhǔn)確。而現(xiàn)有的模擬稀薄氣體流動的計(jì)算方法由于其計(jì)算量巨大,難以在工程實(shí)際中應(yīng)用。因此需要發(fā)展能用于近空間高超聲速飛行器流場的可行、可靠的計(jì)算方法。陳杰和趙磊在文獻(xiàn)[1]中針對邊界層中既有強(qiáng)剪切而氣體分子自由程又相對較大的情況進(jìn)行分析,提出了刻畫此類局部稀薄效應(yīng)的無量綱參數(shù)Zh,并提出了在傳統(tǒng)CFD中通過采用依賴于Zh參數(shù)的等效黏性系數(shù)考慮局部稀薄效應(yīng)對阻力計(jì)算影響的研究思路。因此,本文嘗試將此等效黏性系數(shù)納入CFD模型中,以在70km高空,以馬赫數(shù)15飛行的小迎角鈍平板為例,來檢驗(yàn)計(jì)算方法是否合理可行。結(jié)果表明:和傳統(tǒng)的CFD方法所得結(jié)果相比,新模型計(jì)算的阻力減小,升阻比增加,其改進(jìn)的方向與現(xiàn)有飛行試驗(yàn)結(jié)果定性相符,且所增加的計(jì)算時(shí)間非常有限,可方便地應(yīng)用于現(xiàn)有的計(jì)算空氣動力學(xué)中。
【文章來源】:空氣動力學(xué)學(xué)報(bào). 2019,37(02)北大核心CSCD
【文章頁數(shù)】:8 頁
【部分圖文】:
圖1黏性修正系數(shù)AZh隨Zh數(shù)的變化Fig.1TherelationshipbetweenAZhandZh
而逐漸減小。另外,雖然圖1的結(jié)果只顯示出了修正系數(shù)對Zh的依賴關(guān)系,但是Couette流同時(shí)也存在很大的溫度梯度與熱流,實(shí)際上圖1的結(jié)果也包含著熱流對黏性系數(shù)的影響。因此作為初步嘗試,可以將圖1的規(guī)律用于CFD計(jì)算看是否可以改進(jìn)傳統(tǒng)CFD的結(jié)果。圖1黏性修正系數(shù)AZh隨Zh數(shù)的變化Fig.1TherelationshipbetweenAZhandZh1.2計(jì)算模型與工況計(jì)算模型為鈍平板,模型示意圖如圖2所示,其中x、y分別為沿軸向以及垂直于軸向,坐標(biāo)原點(diǎn)選在鈍頭圓心處。點(diǎn)A所示位置為鈍平板前緣,ξ為從前緣沿壁面的貼體弧長,AOA為迎角,Rn為有量綱圓頭半徑。在下文中,迎風(fēng)面以及下平板指的是流場或平板對應(yīng)y<0的區(qū)域,背風(fēng)面以及上平板指的是流場或平板對應(yīng)y>0的區(qū)域。本文計(jì)算了不同迎角、不同球頭半徑下馬赫數(shù)15、壁面溫度為2000K的工況,具體參數(shù)在表1列出。來流為70km高空氣體,其物理參數(shù)為:T*∞=219.7K,ρ*∞=8.754×10-5kg/m3,μ*∞=1.4378×10-5Pa·s,p*∞=5.52Pa,V*∞=4456.68m/s,Re/L*=27134/m。圖2計(jì)算模型示意圖Fig.2Sketchmapofcomputationmodel表1計(jì)算工況Table1Calculationconditions球頭半徑R*n/mm迎角
用六階中心差分)計(jì)算得到的壁面摩擦系數(shù)與速度剖面比較的結(jié)果。其中ξ為沿壁面弧長,壁面摩擦系數(shù)計(jì)算式為:Cf=τ*w0.5ρ*∞V*2∞(5)由圖3可以看到,對于NND的計(jì)算結(jié)果,其背風(fēng)面壁面摩擦系數(shù)和x*=1m處速度剖面與五階WENO的結(jié)果都吻合得很好。因此,在本文的計(jì)算工況中采用二階NND格式可以很好的刻畫黏性項(xiàng),(a)背風(fēng)面壁面摩擦系數(shù)沿壁面的分布(b)背風(fēng)面x*=1m處速度剖面圖3Case1工況五階WENO與二階NND計(jì)算結(jié)果比較Fig.3Comparisonbetweentheresultsof5th-orderWENOand2nd-orderNNDforCase1后面的計(jì)算都采用二階NND格式進(jìn)行計(jì)算。在CFD中實(shí)施黏性修正的具體計(jì)算過程為:先用NS方法計(jì)算一段時(shí)間(不需要等到收斂),然后切換到NS-VC方法,在每一時(shí)間步,根據(jù)當(dāng)時(shí)的流場,計(jì)算每一點(diǎn)的Zh值,得到相應(yīng)的AZh,據(jù)此修正每一點(diǎn)的黏性系數(shù),沿時(shí)間推進(jìn)直至收斂。實(shí)際上,NS方法和NS-VC方法的差別僅在于后者在每一步迭代后,需對所得流場的每一網(wǎng)格點(diǎn)計(jì)算Zh值,并據(jù)之對該處的黏性系數(shù)做修正,因此每一迭代步所需時(shí)間要增加約17%。此外,在啟動計(jì)算時(shí),由于整個(gè)流場是從靜止態(tài)開始,而邊界條件則是給定值,所以在局部地方的剪切率會非常大,從而相應(yīng)地該處的Zh值也很大,超出了可知的范圍而無法運(yùn)行。因此要先用NS
【參考文獻(xiàn)】:
期刊論文
[1]高超聲速流存在局部稀薄效應(yīng)的一個(gè)判據(jù)及相應(yīng)的流動特性[J]. 陳杰,趙磊. 空氣動力學(xué)學(xué)報(bào). 2018(01)
[2]空氣動力學(xué)的新問題[J]. 周恒,張涵信. 中國科學(xué):物理學(xué) 力學(xué) 天文學(xué). 2015(10)
[3]連續(xù)流失效對近空間飛行器氣動特性的影響[J]. 黃飛,張亮,程曉麗,沈清. 空氣動力學(xué)學(xué)報(bào). 2013(05)
[4]稀薄氣體動力學(xué):進(jìn)展與應(yīng)用[J]. 樊菁. 力學(xué)進(jìn)展. 2013(02)
[5]阿波羅指令艙稀薄氣體動力學(xué)特征的蒙特卡羅數(shù)值模擬[J]. 李志輝,吳振宇. 空氣動力學(xué)學(xué)報(bào). 1996(02)
[6]NND格式的推廣及在粘流計(jì)算中的應(yīng)用[J]. 鄧小剛,張涵信. 空氣動力學(xué)學(xué)報(bào). 1994(02)
博士論文
[1]高超聲速后掠鈍板邊界層橫流定常渦失穩(wěn)的研究[D]. 趙磊.天津大學(xué) 2017
本文編號:3441409
【文章來源】:空氣動力學(xué)學(xué)報(bào). 2019,37(02)北大核心CSCD
【文章頁數(shù)】:8 頁
【部分圖文】:
圖1黏性修正系數(shù)AZh隨Zh數(shù)的變化Fig.1TherelationshipbetweenAZhandZh
而逐漸減小。另外,雖然圖1的結(jié)果只顯示出了修正系數(shù)對Zh的依賴關(guān)系,但是Couette流同時(shí)也存在很大的溫度梯度與熱流,實(shí)際上圖1的結(jié)果也包含著熱流對黏性系數(shù)的影響。因此作為初步嘗試,可以將圖1的規(guī)律用于CFD計(jì)算看是否可以改進(jìn)傳統(tǒng)CFD的結(jié)果。圖1黏性修正系數(shù)AZh隨Zh數(shù)的變化Fig.1TherelationshipbetweenAZhandZh1.2計(jì)算模型與工況計(jì)算模型為鈍平板,模型示意圖如圖2所示,其中x、y分別為沿軸向以及垂直于軸向,坐標(biāo)原點(diǎn)選在鈍頭圓心處。點(diǎn)A所示位置為鈍平板前緣,ξ為從前緣沿壁面的貼體弧長,AOA為迎角,Rn為有量綱圓頭半徑。在下文中,迎風(fēng)面以及下平板指的是流場或平板對應(yīng)y<0的區(qū)域,背風(fēng)面以及上平板指的是流場或平板對應(yīng)y>0的區(qū)域。本文計(jì)算了不同迎角、不同球頭半徑下馬赫數(shù)15、壁面溫度為2000K的工況,具體參數(shù)在表1列出。來流為70km高空氣體,其物理參數(shù)為:T*∞=219.7K,ρ*∞=8.754×10-5kg/m3,μ*∞=1.4378×10-5Pa·s,p*∞=5.52Pa,V*∞=4456.68m/s,Re/L*=27134/m。圖2計(jì)算模型示意圖Fig.2Sketchmapofcomputationmodel表1計(jì)算工況Table1Calculationconditions球頭半徑R*n/mm迎角
用六階中心差分)計(jì)算得到的壁面摩擦系數(shù)與速度剖面比較的結(jié)果。其中ξ為沿壁面弧長,壁面摩擦系數(shù)計(jì)算式為:Cf=τ*w0.5ρ*∞V*2∞(5)由圖3可以看到,對于NND的計(jì)算結(jié)果,其背風(fēng)面壁面摩擦系數(shù)和x*=1m處速度剖面與五階WENO的結(jié)果都吻合得很好。因此,在本文的計(jì)算工況中采用二階NND格式可以很好的刻畫黏性項(xiàng),(a)背風(fēng)面壁面摩擦系數(shù)沿壁面的分布(b)背風(fēng)面x*=1m處速度剖面圖3Case1工況五階WENO與二階NND計(jì)算結(jié)果比較Fig.3Comparisonbetweentheresultsof5th-orderWENOand2nd-orderNNDforCase1后面的計(jì)算都采用二階NND格式進(jìn)行計(jì)算。在CFD中實(shí)施黏性修正的具體計(jì)算過程為:先用NS方法計(jì)算一段時(shí)間(不需要等到收斂),然后切換到NS-VC方法,在每一時(shí)間步,根據(jù)當(dāng)時(shí)的流場,計(jì)算每一點(diǎn)的Zh值,得到相應(yīng)的AZh,據(jù)此修正每一點(diǎn)的黏性系數(shù),沿時(shí)間推進(jìn)直至收斂。實(shí)際上,NS方法和NS-VC方法的差別僅在于后者在每一步迭代后,需對所得流場的每一網(wǎng)格點(diǎn)計(jì)算Zh值,并據(jù)之對該處的黏性系數(shù)做修正,因此每一迭代步所需時(shí)間要增加約17%。此外,在啟動計(jì)算時(shí),由于整個(gè)流場是從靜止態(tài)開始,而邊界條件則是給定值,所以在局部地方的剪切率會非常大,從而相應(yīng)地該處的Zh值也很大,超出了可知的范圍而無法運(yùn)行。因此要先用NS
【參考文獻(xiàn)】:
期刊論文
[1]高超聲速流存在局部稀薄效應(yīng)的一個(gè)判據(jù)及相應(yīng)的流動特性[J]. 陳杰,趙磊. 空氣動力學(xué)學(xué)報(bào). 2018(01)
[2]空氣動力學(xué)的新問題[J]. 周恒,張涵信. 中國科學(xué):物理學(xué) 力學(xué) 天文學(xué). 2015(10)
[3]連續(xù)流失效對近空間飛行器氣動特性的影響[J]. 黃飛,張亮,程曉麗,沈清. 空氣動力學(xué)學(xué)報(bào). 2013(05)
[4]稀薄氣體動力學(xué):進(jìn)展與應(yīng)用[J]. 樊菁. 力學(xué)進(jìn)展. 2013(02)
[5]阿波羅指令艙稀薄氣體動力學(xué)特征的蒙特卡羅數(shù)值模擬[J]. 李志輝,吳振宇. 空氣動力學(xué)學(xué)報(bào). 1996(02)
[6]NND格式的推廣及在粘流計(jì)算中的應(yīng)用[J]. 鄧小剛,張涵信. 空氣動力學(xué)學(xué)報(bào). 1994(02)
博士論文
[1]高超聲速后掠鈍板邊界層橫流定常渦失穩(wěn)的研究[D]. 趙磊.天津大學(xué) 2017
本文編號:3441409
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