SA和SST湍流模型對(duì)高超聲速邊界層強(qiáng)制轉(zhuǎn)捩的適應(yīng)性

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1、航空學(xué)報(bào)ActaAerOnautiCaetAstronauticaSinicaMay252015V01．36No．51471—1479ISSN1000．6893CN11-1929／Vhttp：／／hkxb．buaa．edu．CNhkxb@buaa．edu．CFISA和SST湍流模型對(duì)高超聲速邊界層強(qiáng)制轉(zhuǎn)捩的適應(yīng)性涂國(guó)華1’2’，燕振國(guó)1，趙曉慧1’2，馬燕凱1，毛枚良h31．中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心空氣動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，綿陽(yáng)6210002．中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心超高速空氣動(dòng)力研究所高超聲速?zèng)_壓發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，綿陽(yáng)6210003．中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中

2、心計(jì)算空氣動(dòng)力研究所，綿陽(yáng)621000摘要：凸起物是高超聲速流動(dòng)中常用的一種人工轉(zhuǎn)捩裝置。采用高階精度算法模擬了高超聲速進(jìn)氣道壓縮面上的強(qiáng)制轉(zhuǎn)捩流動(dòng)，轉(zhuǎn)捩裝置為一排高度為1mm的鉆石型凸起物和斜坡型凸起物?？疾炝薙palart—Allmaras(SA)模型和剪切應(yīng)力輸運(yùn)(SST)湍流模型對(duì)該問(wèn)題的適應(yīng)性。在考察過(guò)程中通過(guò)豐富的算例分析了網(wǎng)格規(guī)模、可壓縮修正和空間離散格式等對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響。在層流區(qū)，計(jì)算能與試驗(yàn)取得非常一致的結(jié)果。但在湍流區(qū)，計(jì)算得到的熱流通常高出試驗(yàn)數(shù)據(jù)。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)其原因是強(qiáng)制轉(zhuǎn)捩的湍流邊界層與自然轉(zhuǎn)捩的湍流邊界層在渦結(jié)構(gòu)上存在較大差別，使得湍流模型

3、的效果較差。針對(duì)高超強(qiáng)制轉(zhuǎn)捩湍流渦結(jié)構(gòu)豐富的特點(diǎn)，對(duì)SST湍流模型進(jìn)行了修改。計(jì)算結(jié)果表明，該修改方法對(duì)提高熱流精度具有一定效果。關(guān)鍵詞：湍流模型；邊界層轉(zhuǎn)捩；渦流發(fā)生器；高階格式；可壓縮修正中圖分類(lèi)號(hào)：V211．3；0355文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1000—6893(2015)05—1471—09強(qiáng)制轉(zhuǎn)捩裝置(渦流發(fā)生器／粗糙帶、凸起物、拌線)是風(fēng)洞試驗(yàn)和飛行器設(shè)計(jì)中常用的一種人工轉(zhuǎn)捩裝置。風(fēng)洞試驗(yàn)由于很難實(shí)現(xiàn)飛行器的實(shí)際飛行雷諾數(shù)，縮比模型上自然轉(zhuǎn)捩的位置通常與飛行器空中飛行的實(shí)際轉(zhuǎn)捩位置不符。風(fēng)洞試驗(yàn)常采用強(qiáng)制轉(zhuǎn)捩裝置來(lái)縮小二者之間的差異。湍流有利于防止或減小邊

4、界層分離、增加高超聲速進(jìn)氣道的流量、促進(jìn)氧化劑和燃料混合等，在高超聲速吸氣式進(jìn)氣道設(shè)計(jì)中常利用凸起物來(lái)觸發(fā)轉(zhuǎn)捩，比如文獻(xiàn)[1]的吸氣式高超聲速進(jìn)氣道和美國(guó)的X一43A進(jìn)氣道¨J。高超聲速邊界層強(qiáng)制轉(zhuǎn)捩裝置的有效性通常與裝置高度、形狀、來(lái)流參數(shù)等密切相關(guān)。其中當(dāng)?shù)剡吔鐚雍穸溶蹬c轉(zhuǎn)捩裝置高度h的比值k—h／3是一個(gè)非常重要的參數(shù)。Berry等[31把高度分為起始高度、臨界高度和有效高度。起始高度是指轉(zhuǎn)捩裝置開(kāi)始影響轉(zhuǎn)捩的最低高度，臨界高度是指使轉(zhuǎn)捩位置快速前移的高度，有效高度是促使轉(zhuǎn)捩起始位置提前到轉(zhuǎn)捩裝置位置的高度。趙慧勇等口1針對(duì)某高超沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道研究了鉆石型轉(zhuǎn)捩

5、裝置高度對(duì)轉(zhuǎn)捩的影響，并給出了有效高度。雖然通過(guò)強(qiáng)制轉(zhuǎn)捩可以減小壓縮拐角的分離、增加進(jìn)氣道的流量等，但是強(qiáng)制轉(zhuǎn)捩也會(huì)導(dǎo)致許多不利影響。典型的不利影響是物面熱流增收稿日期：2014—05—06；退修日期：2014-09．02；錄用日期：2014—10—20；網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2014—11—0608：42網(wǎng)絡(luò)出版地址：WWW．cnki．net／kcms／detail／10．7527／S1000-6893．2014．0292．htmI基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金(11072259)；高超聲速?zèng)_壓發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放課題*通訊作者．Tel：0816-2463223E·mail

6、：ght@skla．cardcon引用格武lTuGH．YahZG，ZhaoXH．etal．SAandSSTturbulencemodelsforhypersonicforcedboundarylayertransitionfJ]．ActaAero—nauticaetAstronauticaSinica。2015，36(5)：1471．1479。涂國(guó)華，燕振國(guó)．趙曉慧．等，sA和SST湍流模型對(duì)高超聲速邊界層強(qiáng)翩轉(zhuǎn)捩的適應(yīng)性[J]．航空學(xué)搬，2015，36(5)：1471—1479．航空學(xué)報(bào)May252015V01．36No．5加，另一影響是強(qiáng)制轉(zhuǎn)捩的湍流邊界層與自然轉(zhuǎn)

7、捩的湍流邊界層會(huì)出現(xiàn)較大差異，其原因是轉(zhuǎn)捩裝置拖曳出的流向渦對(duì)下游的強(qiáng)烈干擾，這勢(shì)必影響邊界層的渦結(jié)構(gòu)、厚度、熱流和摩阻等的分布。準(zhǔn)確模擬強(qiáng)制轉(zhuǎn)捩裝置后面的流場(chǎng)、準(zhǔn)確預(yù)測(cè)物面熱流分布對(duì)高超聲速飛行器氣動(dòng)設(shè)計(jì)和熱防護(hù)設(shè)計(jì)具有重要意義。直接數(shù)值模擬和大渦模擬等的計(jì)算花費(fèi)太大，無(wú)法用來(lái)大量產(chǎn)生工程設(shè)計(jì)所需要的數(shù)據(jù)。目前，高超聲速湍流和轉(zhuǎn)捩計(jì)算仍然以求解雷諾平均Navier—Stokes(RANS)方程為主，這勢(shì)必涉及到湍流模型問(wèn)題。湍流模型雖然眾多，但是目前還沒(méi)有一種湍流模型能在較廣的范圍內(nèi)適合各種復(fù)雜流動(dòng)。高超聲速流動(dòng)由于存在強(qiáng)可壓縮性、激波／邊界層干擾