超声速方腔流动及控制的数值模拟

摘要

方腔绕流现象普遍存在于航空航天领域中，在一定流动条件下会导致强烈的压力振荡，对环境及腔内装置产生危害。同时，方腔流动本身也涉及到非定常流、涡动力学、剪切层不稳定性等诸多流体力学前沿问题。因此，近些年来一直受到科研工作者与工程师们的关注。本文采用直接数值模拟方法对二维超声速方腔流动及控制进行了研究，主要工作包括以下几个方面:
　　(1)以长深比L/D=4的二维方腔为物理模型，通过直接数值模拟研究了低雷诺数下来流边界层厚度与马赫数对方腔流动的影响。结果表明:当马赫数固定为Ma=1.8时，随着来流边界层厚度的减小，方腔流动会经历定常模态、单一RossiterⅡ模态、RossiterⅡ模态为主模态同时伴有RossiterⅢ模态与低频模态、RossiterⅢ模态为主模态同时伴有RossiterⅡ模态与低频模态的模态转变过程，低频模态的产生与剪切层涡结构和方腔后壁拐角不同撞击形式的切换有关。剪切模态下，方腔流动主模态的振荡频率及振荡幅值均会有所增大，其中振荡幅值的增大源自剪切层不稳定性及其与回流区相互作用的增强。当初始来流边界层厚度固定时，随着来流马赫数的增大，方腔流动会经历尾迹模态(来流边界层厚度足够小）、剪切模态、定常模态的模态转变过程;剪切模态下，方腔流动主模态的振荡幅值会逐渐减小，这与剪切层不稳定性的减弱有关。上述模态转变过程可通过流场动力学模态分解得到的特征模态空间结构变化直观体现出来，而且能谱(整体振荡频率)与监测点功率谱密度分析得到的振荡频率也十分吻合。
　　(2)给定入口处的边界层速度型(Ma=1.8)，研究了方腔后壁拐角倒圆被动控制及方腔前壁上游垂直流向亚声速稳定射流主动控制对方腔流动的影响。结果表明:被动控制下，随着倒圆半径的增大，由于剪切层中涡与方腔后壁撞击形式的改变，方腔流动会经历RossiterⅡ模态为主模态同时伴有RossiterⅡ模态与低频模态、RossiterⅢ模态为主模态同时伴有RossiterⅡ模态与低频模态、单一RossiterⅢ模态的模态转变过程;方腔振荡幅值会逐渐减小，这是因为剪切层不稳定性及其与回流区相互作用的减弱。主动控制下，方腔剪切层被抬升以削弱剪切层与方腔后壁的撞击作用，同时剪切层会增厚以降低对腔内压力扰动的感受性，剪切层不稳定性及其与回流区的相互作用也被削弱，从而达到抑制方腔振荡的效果。
　　(3)针对原始变量（ρ，u，v，T）形式的二维可压缩N-S方程，基于加权内积形式的POD与Galerkin映射方法构造了新的降阶模型（近似全N-S方程模型），理论上可以适用于超声速方腔流动问题，并将其与目前常用的适用于中、低马赫数方腔绕流问题的等熵N-S方程模型进行了对比。结果表明:对于来流边界层相对较厚的二维超声速方腔绕流，近似全N-S方程模型相比于等熵N-S方程模型采用较少的POD模态就可以准确预测方腔流动的主要动力学行为，监测点处流向速度功率谱密度给出的振荡主频和相应幅值以及不同时刻瞬态流向速度分布与DNS结果的对比很好的验证了这一结论。对于来流边界层相对较薄的超声速方腔绕流，等熵N-S方程模型下POD模态系数的Runge-Kutta显式推进最终会发散，而在近似全N-S方程模型下却可以稳定进行，表明新模型具有更好的鲁棒性，但准确预测方腔流动的主要动力学行为仍需要在降阶模型中添加耗散模型。此外，当前近似全N-S方程模型的降阶处理方法相对简单，可以很方便地推广应用于其它超声速流动问题。

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摘要

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第一章 绪论

1．1 方腔绕流研究简介

1．1．1 研究背景及意义

1．1．2 主要研究进展

1．1．3 振荡机制研究

1．2 方腔绕流理论模型

1．3 方腔流致振荡控制研究

1．4 方腔绕流问题计算方法

1．5 本文主要工作

第二章 数值方法

2．1 直接数值模拟方法

2．1．1 控制方程

2．1．2 空间离散格式

2．1．3 时间离散格式

2．1．4 边界条件

2．2 结果分析方法

2．2．1 功率谱密度分析

2．2．2 动力学模态分解

2．3 降阶模型构建方法

2．3．1 本征正交分解

2．3．2 Galerkin映射

第三章 超声速方腔流动模态的数值模拟研究

3．1 引言

3．2 问题描述与计算验证

3．2．1 方腔构型与计算参数

3．2．2 数值方法与网格收敛性验证

3．3 来流边界层厚度对流动模态的影响

3．3．1 振荡频率分析

3．3．2 DMD分析

3．3．3 低频模态产生机制

3．3．4 振荡幅值分析

3．4 来流马赫数对流动模态的影响

3．4．1 振荡频率分析

3．4．2 DMD分析

3．4．3 振荡幅值分析

3．4．4 其它结果

3．5 小结

第四章 超声速方腔流致振荡的主被动控制研究

4．1 引言

4．2 被动控制研究

4．2．1 问题描述

4．2．2 流动模态分析

4．2．3 振荡幅值分析

4．3 主动控制研究

4．3．1 问题描述

4．3．2 流动模态分析

4．3．3 振荡幅值分析

4．3．4 其它结果

4．4 小结

第五章 超声速方腔绕流的降阶模型研究

5．1 引言

5．2 降阶模型的构建

5．2．1 等熵N-S方程模型

5．2．2 近似全N-S方程模型

5．3 结果与讨论

5．3．1 DNS结果

5．3．2 POD分析

5．3．3 降阶模型的应用

5．3．4 其它结果

5．4 小结

第六章 结论与展望

6．1 本文的主要工作与结论

6．2 本文的主要创新点

6．3 后续研究工作的展望

附录

参考文献

攻读博士学位期间的研究成果

致谢