粗糙元誘導(dǎo)的高超聲速邊界層轉(zhuǎn)捩.pdf

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1、航空學(xué)報ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaAug．252016V01．37No．82454-2463ISSN1000-6893CN11—1929／Vhttp：／／hkxbbuaaedu．crlhkxb@buaa．eduCR粗糙元誘導(dǎo)的高超聲速邊界層轉(zhuǎn)捩段志偉，肖志祥*清華大學(xué)航天航空學(xué)院，北京100084摘要：基于有限體積方法，直接數(shù)值模擬了高超聲速邊界層內(nèi)不同形狀粗糙元導(dǎo)致的強(qiáng)制轉(zhuǎn)捩現(xiàn)象；為了能夠深入探究強(qiáng)制轉(zhuǎn)捩機(jī)理，解析小尺度運(yùn)動，同時又能夠較好地捕捉激波，采用高階色

2、散最小耗散可調(diào)(MDCD)格式對Navier—Stokes方程組對流項進(jìn)行重構(gòu)。計算結(jié)果表明，數(shù)值結(jié)果與對應(yīng)的實(shí)驗值吻合較好；該方法能解析小尺度的流動結(jié)構(gòu)以及規(guī)則結(jié)構(gòu)的破碎與失穩(wěn)過程，可揭示粗糙元引起的強(qiáng)制轉(zhuǎn)捩機(jī)理，即此類強(qiáng)制轉(zhuǎn)捩主要由粗糙元頂部的三維剪切層失穩(wěn)導(dǎo)致。對多種粗糙元的轉(zhuǎn)捩效果進(jìn)行了定量研究，影響因素包括粗糙元形狀、幾何參數(shù)等。關(guān)鍵詞：高超聲速；粗糙元；邊界層轉(zhuǎn)捩；參數(shù)化影響；直接數(shù)值模擬中圖分類號：V211．3文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1000—6893(2016)082454—10在高超聲速飛

3、行器繞流中，邊界層轉(zhuǎn)捩是非常重要的流動現(xiàn)象。它主要影響飛行器的摩擦阻力、氣動加熱、進(jìn)氣道質(zhì)量捕獲、發(fā)動機(jī)內(nèi)燃料摻混和燃燒等[1]。粗糙元可以改變邊界層基本流動剖面，甚至產(chǎn)生較大擾動，對邊界層流動的轉(zhuǎn)捩產(chǎn)生較大影響；由于粗糙元改變了流動狀態(tài)，其自身也面臨比較嚴(yán)峻的氣動熱環(huán)境等。粗糙元誘導(dǎo)轉(zhuǎn)捩的影響因素非常多，對其轉(zhuǎn)捩機(jī)理與具體效果的研究尚未十分明確，是目前國際上的研究熱點(diǎn)之一。因此本文針對粗糙元形狀、幾何參數(shù)等，對其誘導(dǎo)轉(zhuǎn)捩的效果進(jìn)行了定量研究。大多數(shù)情況下，粗糙元會促使轉(zhuǎn)捩提前，并且隨著粗糙元高度的增加，其

4、促進(jìn)轉(zhuǎn)捩效果會更明顯。早在20世紀(jì)60年代，VanDriest等[21對粗糙元在馬赫數(shù)Ma一2．71的超聲速邊界流動中進(jìn)行了觸發(fā)轉(zhuǎn)捩研究，通過大量的試驗數(shù)據(jù)擬合得到轉(zhuǎn)捩位置與單位雷諾數(shù)的關(guān)系曲線，他們發(fā)現(xiàn)粗糙元存在著“臨界高度”與“有效高度”。雖然該試驗是在常規(guī)風(fēng)洞內(nèi)進(jìn)行，風(fēng)洞噪聲比較大，所獲得的轉(zhuǎn)捩曲線與實(shí)際情況稍有差別，但是轉(zhuǎn)捩趨勢相同，該試驗對后續(xù)的粗糙元研究有極大的啟發(fā)意義。在近期的風(fēng)洞試驗中，趙慧勇等∞3也發(fā)現(xiàn)了粗糙元的“臨界高度”和“有效高度”，有效高度大約為邊界層厚度的0．7tO．8倍。粗糙元

5、高度是影響其轉(zhuǎn)捩的重要因素之一。當(dāng)然，馬赫數(shù)、雷諾數(shù)、來流湍流度、粗糙元形狀等對轉(zhuǎn)捩效果也有較大影響。試驗研究表明轉(zhuǎn)捩雷諾數(shù)隨馬赫數(shù)增加而增加14j，這可能與高馬赫數(shù)對剪切層的穩(wěn)定作用有關(guān)。即便在粗糙元足夠高時，來流湍流度對轉(zhuǎn)捩效果仍然有很大影響。Casper等¨1的靜音風(fēng)洞試驗表明，在靜音條件下的轉(zhuǎn)捩距離比噪聲條件下增長了一倍左右。粗糙元的形狀不僅影響轉(zhuǎn)捩效果，同時對流場中的擾動產(chǎn)生、氣動力熱環(huán)境等也有著較大影響。理想的粗糙元應(yīng)該能夠很快觸發(fā)轉(zhuǎn)捩，并且收稿日期：2016—01—18；退修日期：2016—0

6、2—17；錄用日期：2016—04-26；網(wǎng)絡(luò)出版時間：2016—04—2915：37網(wǎng)絡(luò)出版地址：WWWcnkinet／kcms／detail／111929V201604291537008html基金項目：國家自然科學(xué)基金(11372159)；中周博士后科學(xué)基金(2015M571029)；國家重點(diǎn)研發(fā)計劃項目(2016YFA0401200)*通訊作者．Tel．：010—62797060E-mail：xiaotigerzhx@tsinghua．edu．cn引用格式{段志偉，誨志祥粗糙元誘導(dǎo)的高超聲速邊界層轉(zhuǎn)

7、捩iJji航空學(xué)報．2016．37(8)：2454-2463iDUANZW．XlAOZxRoughnesselementmducedhypersonicboundarylayertransitionfJ]．ActaAeronauticaetAstronauticaSinica，2016，37(8)?2454-2463段志偉，等：粗糙元誘導(dǎo)的高超聲速邊界層轉(zhuǎn)捩對流場的擾動要盡量小，同時自身不產(chǎn)生過大的阻力和熱流，尤其在粗糙元上的熱流不至于過大，否則易燒毀。因此，關(guān)于粗糙元形狀對轉(zhuǎn)捩的影響研究由來已久。一般來說

8、，對于高超聲速邊界層轉(zhuǎn)捩，三維粗糙元效果要優(yōu)于二維粗糙元[6]。對于不同形狀的三維粗糙元，其有著類似的流動拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：在粗糙元上游會形成幾對反轉(zhuǎn)的渦，在正后方形成不穩(wěn)定尾跡渦和側(cè)邊的馬蹄渦(或次渦)結(jié)構(gòu)[7。13I。如Danehy等uu采用一氧化氮平面激光可視技術(shù)顯示了詳細(xì)的尾跡渦結(jié)構(gòu)隨著粗糙元鈍度增加，其上游分離渦與表面之間的距離也增大，轉(zhuǎn)捩效果更加明顯。當(dāng)然綜合考慮轉(zhuǎn)捩效果和其對流場的影響后，斜坡形單元可能是比