具有激波和湍流旋涡分离的可压缩绕流数值研究

摘要

具有激波和湍流旋涡分离的可压缩绕流问题是当今流体力学研究的前沿课题之一，有着重要的工程应用背景，蕴含其中的诸多复杂流动物理亟待探索。本文采用分离涡模拟和大涡模拟方法研究了三类典型流动问题，包括对称双弧翼型跨声速绕流、圆球跨声速绕流以及超声速来流下球柱体反向喷流。主要工作和研究成果如下：
　　 (1)采用分离涡模拟方法研究了M∞=0.76、Re=1.1×107来流下绕18％厚度的对称双弧翼型的可压缩流动。系统地分析了该复杂流动中的若干基本现象，如激波运动、湍流边界层特性、流场演化中相干结构的运动学和动力学过程等。从理论上提出了一个自激反馈模型，可以合理地预测激波在翼型上下表面往复运动的频率。根据运动激波特征，沿翼型表面可以分为三种典型的流动区域，即附着边界层区、运动激波/湍流边界层作用区以及间歇的边界层分离区。详细地分析了这三个流动区域中的湍流统计量和相关的湍流行为。由于激波/边界层的相互作用，一些与可压缩性有关的物理量如压力-胀量相关项和膨胀耗散项等会显著增强。进一步分析了流场演化中相干结构的运动学和动力学过程。在边界层分离区中，压力波向下游传播的速度与相干结构的运动速度基本一致。瞬态Lamb矢量的散度和旋度分析表明，分离剪切层和运动激波呈现多层结构，并分析了其动力学过程。脉动压力场的本征正交分解分析指出，占主导的模态与运动激波以及尾迹区中分离的剪切层密切相关。
　　 (2)采用大涡模拟方法研究了绕圆球的跨声速流动，着重分析流场结构、湍流特性以及近场压缩波传播等流动现象。根据剪切层的演化特征，流场可分为四个典型区域，即初始段、线性区、再压缩区以及尾迹区。详细地分析了流场的湍流特性。由于流动的可压缩性较弱，压力-胀量相关项和膨胀耗散项相对较小。沿剪切层Reynolds正应力的流向分量占主导地位，在再压缩过程的作用下显著增强，并且湍流结构发生明显改变。通过相干结构和速度梯度矩阵的研究发现，在剪切层的再压缩区内，特征不变量联合概率密度呈“泪珠状”分布，其变化反映了流动中的耗散作用以及剪切层的发展演化过程。统计分析表明，侧向载荷的方向遵循均匀分布、幅值符合Rayleigh分布。涡量输运方程的逐项分析发现，涡的拉伸/扭曲效应占主导地位。瞬态Lamb矢量散度的分布在分离剪切层中呈现双层结构，反映了动量交换的过程。脉动压力场的本征正交分解分析指出，近尾迹的模态呈现出偶极子、四极子、六极子和八极子等结构；远尾迹中则出现了内外双层模态结构，如内外双偶极子、双四极子等。
　　 (3)采用大涡模拟方法研究了球柱体反向喷流与超声速来流的复杂相互作用问题。射流与来流的总压比是决定流动状态的一个重要参数，计算分别取0.816和1.633两种情况，合理地模拟了实验中发现的典型状态：不稳定流态和稳定流态；、并分析了这两种流态下的射流结构演化和剪切层特征。在锥形剪切层内，剪切应力沿流向的演化呈现两个极大值，这与射流和来流相互作用以及再附过程密切相关。流向正应力在混合过程中占主导地位。采用广义Lamb矢量散度分析了剪切层中的相干结构，并合理地捕捉到由激波造成的熵变特性。采用本征正交分解方法研究了不稳定流态和稳定流态的非定常脉动速度场，发现其主导模态分别为反对称和轴对称结构。统计分析表明侧向载荷的方向遵循均匀分布、幅值符合Ray1eigh分布。根据两种流态主导的运动特征，分别提出了相应的反馈模型，合理地预测了流动占优频率。研究结果有助于对流动机理的认识和理解，对防热、减阻和流动控制等工程问题具有指导意义。

目录

文摘

英文文摘

论文说明:图表目录

声明

第一章绪论

1.1 研究背景和现状

1.1.1翼型跨声速绕流

1.1.2圆球跨声速绕流

1.1.3超声速来流下钝头体反向喷流

1.2 可压缩湍流数值模拟方法

1.2.1 Reynolds平均NS方程方法

1.2.2直接数值模拟

1.2.3大涡模拟方法

1.2.4 RANS/LES混合方法

1.3 无粘通量项的离散格式

1.4 本文的结构安排和主要工作

第二章控制方程和数值方法

2.1 引言

2.2 控制方程

2.2.1.大涡模拟控制方程

2.2.2分离涡模拟控制方程

2.3 空间离散格式

2.3.1.中心格式和人工粘性

2.3.2 Roe的通量差分裂格式

2.3.3中心/迎风型混合格式

2.4 时间推进格式

第三章对称双弧翼型跨声速绕流的数值研究

3.1 引言

3.2 计算参数和验证

3.2.1计算参数

3.2.2计算验证

3.3 计算结果和讨论

3.3.1.流场结构和运动激波特性

3.3.2湍流边界层特性

3.3.3相干结构及其动力学过程

3.4 本章小结

第四章圆球跨声速绕流的大涡模拟研究

4.1 引言

4.1.1圆球绕流

4.1.2可压缩轴对称底部流动尾迹

4.1.3本章的主要工作

4.2 计算参数和验证

4.2.1计算参数

4.2.2计算验证

4.3 计算结果和讨论

4.3.1流场结构

4.3.2流场的湍流特性

4.3.3压力频谱与侧向力分析

4.3.4相干结构演化和动力学过程

4.3.5本征正交分解

4.4 本章小结

第五章超声速来流下钝头体反向喷流的大涡模拟研究

5.1 引言

5.1.1工程背景

5.1.2球柱体反向喷流研究简介

5.1.3本章的主要工作

5.2 物理模型和计算验证

5.2.1物理模型

5.2.2计算验证

5.3 计算结果和讨论

5.3.1流场结构和流动状态

5.3.2湍流特性和剪切层演化

5.3.3本征正交分解与侧向载荷分析

5.3.4频谱分析与反馈模型

5.4 本章小结

第六章工作总结和研究展望

6.1 工作总结

6.2 主要创新点

6.3 研究展望

附录

参考文献

攻读博士学位期间的研究成果

致谢