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《高超聲速邊界層流動轉捩研究》由會員上傳分享，免費在線閱讀，更多相關內(nèi)容在學術論文-天天文庫。
1、計 算 物 理第21卷第1期Vol.21,No.12004年1月CHINESEJOURNALOFCOMPUTATIONALPHYSICSJan.,2004[文章編號]10012246X(2004)0120061207高超聲速邊界層流動轉捩研究劉 嘉, 雷麥芳, 姚文秀, 王發(fā)民(中國科學院力學研究所,北京 100080)[摘 要]針對高超聲速飛行器前體預壓縮性所需求的氣動構型,開展了具有一級壓縮效果的壓縮面邊界層的流動穩(wěn)定性分析.采用有限體積法數(shù)值求解NS方程組得到基本流場,應用當?shù)鼐植科叫辛骷僭O和線性穩(wěn)定性理論求解了擾動波參數(shù)的特征值問
2、題.分析了來流馬赫數(shù)M∞=6情況下二維擾動波的演化規(guī)律,并進一步關聯(lián)擾動的空間放大率,結合EN方法進行了轉捩預測.[關鍵詞]高超聲速流動;穩(wěn)定性分析;轉捩[中圖分類號]V211[文獻標識碼]A0 引言以吸氣式?jīng)_壓發(fā)動機為動力的飛行器是新世紀追求高超聲速飛行的研究熱點.為了得到高升阻比的氣動構型,飛行器機身和發(fā)動機必須進行一體化設計,前體需要承擔發(fā)動機所需的預壓縮功能.在高超聲速條2件下,邊界層的厚度δ與來流馬赫數(shù)的平方M∞成正比,增厚的邊界層不僅使飛行器的摩阻增大,而且它的流場演化直接關系到?jīng)_壓發(fā)動機的啟動特性和推力,因此前體下表面邊界層的流動
3、穩(wěn)定性和轉捩對進氣道性能如流量系數(shù)、壓力恢復系數(shù)、平均密流比等有關鍵作用.同時穩(wěn)定性分析和轉捩預測是高超聲速飛行器設計中進行層流控制和熱防護設計的重要因素.在巡航條件下,飛行器的表面摩擦阻力和波阻是一個量級,成為總阻力的重要組成部分,延遲轉捩可以使燃料消耗、飛行器操縱費用大大降低,也使得熱防護的材料選[1]擇更加靈活,而層流控制的成功很大程度上依賴于穩(wěn)定性分析和轉捩預測的方法.因此前體流場邊界層的穩(wěn)定性和轉捩預測對正確分析前體的壓縮效果,優(yōu)化前體構型設計,保證高超聲速條件下發(fā)動機進氣道的正常工作具有重要的指導意義.穩(wěn)定性問題分為基本流場和穩(wěn)定性
4、方程的求解兩部分,其中基本流場解的正確與否直接關聯(lián)著穩(wěn)定性[2]問題的最終結果.針對基本流場的求解,Malik給出了利用坐標變換簡化平板和軸對稱物型的方法,并在后[3][4]來的研究中得到廣泛的應用.HeathB.Johnson和GrahamV.Candler提出用修正的Steger2warming矢通量分裂的有限體積法求解帶化學反應的軸對稱物型的基本流場,并在線性穩(wěn)定性分析中得到較好結果.[5]穩(wěn)定性方程的數(shù)值求解,包括初值問題求解方法和邊值問題的求解方法.Mack應用初值求解方法求解[6]了可壓縮邊界層問題,Scott等則較早應用兩個邊界求
5、解了該穩(wěn)定性方程.對不可壓流動,臨界層在固壁附近,因而函數(shù)展開的方法很有優(yōu)勢,但對于高超聲速流動,臨界層則移向邊界層外緣,以上方法很難發(fā)揮作用,因此求解穩(wěn)定性方程的迭代算法變得很重要.為了更好地適應高超聲速飛行器復雜外型的穩(wěn)定性分析和轉捩預測,本文基本流場采用直接求解NS[2][8]方程組的方法,穩(wěn)定性方程的求解采用Malik的二階差分方法,應用Rayleigh逆迭代,較精確地求解了穩(wěn)定性方程的特征值和特征函數(shù).在以上方法的基礎上,針對高超聲速飛行器前體壓縮性問題,本文研究了來流馬赫數(shù)為6、攻角為4°的具有一定壓縮角的壓縮面的邊界層穩(wěn)定性問題,
6、分析了第一、第二不穩(wěn)定模態(tài)的擾動特征,并結合EN法進行了轉捩預測.[收稿日期]2003-01-13;[修回日期]2003-04-07[作者簡介]劉嘉(1970-),女,河北安國,博士,從事流動穩(wěn)定性研究,北京安外安華里2區(qū)3號樓中國石油經(jīng)濟技術研究中心信息監(jiān)測室100011.62計 算 物 理第21卷1 基本流場的數(shù)值模擬要獲得較好的穩(wěn)定性分析結果,基本流場的解要求有較高的精度,且需要二階導數(shù)連續(xù),常采用求解邊界層方程或邊界層方程與Euler方程匹配求解的方法.但是對于高超聲速飛行器的復雜外型,流場中存在復雜的物理現(xiàn)象,如激波與邊界層的相
7、互干擾,用上述方法求解顯然不能滿足需要.本文采用有限體積法求解NS方程組,無粘項的離散采用二階迎風TVD格式;粘性項的求解中為了避免用差分格式產(chǎn)生在壁面附近的數(shù)值奇異性,保持擴散項的守恒性,在離散動量方程和能量方程時采用了積分形式的粘應力求法.將無量綱三維NS方程組寫成積分形式9ρdΩ+ρq·dS=0,∫Ω9t∮Γ9ρqdΩ+ρq(q·dS)=τndS,∫Ω9t∮?！应?9edΩ+e(q·dS)=τn·qdS+C(pPρ)dS,(1)∫Ω9t∮Γ∮?！应?n1p=(γ-1)(e-ρq·q),22[τ]=-p+μdivq[I]+2μ[ε],3這里
8、,q表示速度矢量,p為壓力,μ為第一粘性系數(shù),e為單位體積的能量,Γ為控制體Ω的邊界曲面,C=γμμcp·,Pr=,τn為微元面積dS上的單位面積上的
