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1、航空學(xué)報(bào)ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaNov．252012V01．33No．111984．1992ISSN1000-6893ON11-1929／Vhttp：Hhkxb．buaa．edu．cnhkxb@buaa．edu．cn文章編號(hào)：1000—6893(2012)11—1984—09趨于臨界馬赫數(shù)的圓柱跨聲速繞流特性分析許常悅”，趙立清，王從磊，孫建紅南京航空航天大學(xué)航空宇航學(xué)院，江蘇南京210016摘要：通過(guò)深化認(rèn)識(shí)趨于臨界馬赫數(shù)Ma。，的圓柱跨聲速繞流特性，明確新型飛行器增升減阻設(shè)計(jì)的空氣動(dòng)力學(xué)理論依據(jù)。采用
2、大渦模擬方法數(shù)值研究了來(lái)流馬赫數(shù)Ma。。為0．75和0．85、雷諾數(shù)＆為2×105的圓柱跨聲速繞流。結(jié)果表明：當(dāng)Ma。。趨于臨界馬赫數(shù)(Ma。?！?．9)時(shí)，圓柱的阻力下降且升力系數(shù)振蕩被抑制；通過(guò)力的分解，得知圓柱的阻力減小來(lái)自旋渦力的影響，而非可壓縮性；圓柱的阻力減小與其背壓上升有關(guān)；剪切層初始階段的對(duì)流馬赫數(shù)Ma。隨地。。的增加而增大，而增長(zhǎng)率相反，這使得剪切層更為穩(wěn)定、柱體背壓更高。此外，由于％。。一0．85時(shí)邊界層分離點(diǎn)處的激波和尾跡處的激波向下游推移，使得近尾跡處的湍流脈動(dòng)減弱，進(jìn)而導(dǎo)致柱體的表面壓力振蕩和升力系數(shù)振蕩被抑制。關(guān)鍵詞：激波
3、；圓柱；可壓縮湍流；大渦模擬；亞格子模型中圖分類號(hào)：V211．3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A在圓柱可壓縮繞流中存在著復(fù)雜的流動(dòng)物理現(xiàn)象，如激波／湍流邊界層相互作用、激波／尾跡相互作用以及可壓縮剪切層失穩(wěn)等。認(rèn)識(shí)與這些現(xiàn)象相關(guān)的流動(dòng)機(jī)理，已成為航空工業(yè)中急需解決的問(wèn)題。目前，關(guān)于圓柱不可壓縮繞流問(wèn)題的研究較為廣泛，然而有關(guān)圓柱可壓縮繞流，尤其是跨聲速繞流的研究則比較少。已有的一些關(guān)于圓柱跨聲速繞流的實(shí)驗(yàn)研究L1剖主要關(guān)注阻力的測(cè)量和流動(dòng)現(xiàn)象的展示，如Murthy等口3采用埋線法對(duì)圓柱的表面摩擦系數(shù)和渦脫瀉頻率進(jìn)行了測(cè)量，發(fā)現(xiàn)當(dāng)來(lái)流馬赫數(shù)Ma。。>0．9時(shí)，可探測(cè)的渦
4、脫瀉現(xiàn)象幾乎消失。此外，也有一些數(shù)值方面的研究，如Miserda等[4]采用有限體積法求解了二維可壓縮Navier—Stokes方程，用來(lái)研究圓柱跨聲速繞流的非定常受力特征以及流動(dòng)結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)E53和文獻(xiàn)[6]研究了來(lái)流馬赫數(shù)對(duì)圓柱跨聲速繞流的影響，并分析了激波／湍流邊界層相互作用、局部超聲速區(qū)、小激波的產(chǎn)生機(jī)制以及湍流剪切層的演化。研究發(fā)現(xiàn)，存在一個(gè)臨界馬赫數(shù)％。，約為0．9，當(dāng)％。。<地。。時(shí)，流動(dòng)狀態(tài)為非定常狀態(tài)；當(dāng)Ma。。>Ma。，時(shí)，流動(dòng)狀態(tài)則呈現(xiàn)準(zhǔn)定常狀態(tài)。在準(zhǔn)定常狀態(tài)下，柱體近尾跡區(qū)會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)較強(qiáng)的斜激波，并且柱體的渦脫瀉現(xiàn)象受到明顯的抑
5、制。在非定常狀態(tài)中，當(dāng)?shù)?。。趨于Ma。，時(shí)，流場(chǎng)中的激波位置向下游推遲，并出現(xiàn)阻力下降和表面壓力振蕩減小的現(xiàn)象¨’5j。圓柱繞流問(wèn)題屬于典型的鈍體繞流問(wèn)題，已有關(guān)于鈍體繞流阻力減小機(jī)理的研究發(fā)現(xiàn)口。9]，鈍體后的剪切層演化對(duì)其阻力的大小有著重要的影收稿日期：201I-12-07；退修日期：2012—03-20；錄用日期：2012—04—05；網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2012．04．1710：01網(wǎng)絡(luò)出版地址：WWW．cnki．net／kcms／detail／11．1929．V．20120417．1001．002．htmI基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金(112021
6、00)；江蘇省自然科學(xué)基金(BK2011723)；中國(guó)博士后科學(xué)基金(20100481141，201104567)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金(NS2012032)；江蘇省博士后科研資助計(jì)劃(0902001c)*通訊作者．Tel．：025—84896059E—mail：cyxu@nuaa．edu．cn荸{用格武
7、XuCY．ZhaoLo．WangCL，eta1．Characteristicsanalys『softhetransonicflowpastacircularcylindertowardsthecriticalMachnumber，Acta
8、AeronauticaetAstronauticaSinica。2012，33(11)：1984-1992j許常悅，趙立清．王從磊，等．趨f(xié)帷界馬赫教的圓柱跨聲速繞流特性分析。航空學(xué)攝。2012．33(11)：1984-1992許常悅等：趨于臨界馬赫數(shù)的圓柱跨聲速繞流特性分析響。對(duì)于圓柱可壓縮繞流而言，剪切層的演化過(guò)程受到了剪切效應(yīng)和可壓縮效應(yīng)的雙重影響。其中，可壓縮性影響與剪切層的對(duì)流馬赫數(shù)Ma。密切相關(guān)[1”11]。基于理想氣體假設(shè)，對(duì)流馬赫數(shù)定義為Ma。一(U，一U2)／(乜1+a2)，其中：U1和以1為剪切層高速流體側(cè)的速度和聲速；U。和a：
9、為低速流體側(cè)的速度和聲速。對(duì)于平面剪切層，剪切層中的大尺度結(jié)構(gòu)始終與流體的不穩(wěn)定性存在緊密聯(lián)系，其不穩(wěn)定性特
