超临界翼型跨声速绕流的雷诺数效应数值研究

摘要

雷诺数是流体力学中一个重要的无量纲参数，表征了惯性力与粘性力的比值，在流动转捩、分离、激波/边界层干扰等重要流动现象中有着重要的影响。为了实现大型飞机跨声速巡航的高效率，与其关键气动性能密切相关的主要流动问题几乎涵盖了上述重要流动现象，因此雷诺数是大型飞机地面试验中一个重要的模拟参数，其重要性仅次于马赫数的模拟。由于我国现阶段缺少与大型飞机研制配套的高雷诺数地面模拟设备，因此雷诺数效应的评估与预测是目前我国大型飞机研制急需解决的关键气动问题之一。为分析雷诺数对大型飞机常用的超临界翼型的关键气动特性的影响，本文对超临界翼型跨声速绕流下带稳态激波和运动激波的雷诺数效应进行了数值研究，主要工作和研究成果如下：
　　 (1)采用雷诺平均方法(RANS)研究了雷诺数对RAE—2822超临界翼型带稳态激波情况下关键气动力数据的影响特性。通过对计算数据的拟合分析发现，超临界翼型纵向气动力系数与雷诺数的对数值基本呈线性关系。在风洞试验中，可以利用这种规律，使用机翼前缘固定转捩的方法开展大型飞机雷诺数效应的研究，以保证雷诺数修正的准确可靠性，该结论在某翼身组合体模型变雷诺数风洞试验中得到了较好的应用。
　　 (2)采用脱体涡模拟方法(DES)研究了雷诺数对SC—0712超临界翼型激波振荡现象以及相应的缩减频率、激波平均位置和翼型脉动压力系数等非定常气动特性的影响特性。研究表明，雷诺数对激波振荡运动的影响程度主要取决于初始时刻激波位置和激波强度，初始时刻的激波强度越强，由此而产生的流动分离则越严重，涡结构的演化频率则越快，相应的激波运动频率也越快；初始时刻激波位置越靠近翼型前缘，则平均激波位置也越靠近翼型前缘。研究还表明，在假定绕流为全湍流的情况下，雷诺数对激波运动的起始攻角影响较小。

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第一章 绪论

1.1 雷诺数影响的研究背景和意义

1.1.1 雷诺数影响研究概述

1.1.2 超临界翼型概述

1.2 可压缩湍流数值模拟简介

1.2.1 直接数值模拟方法

1.2.2 雷诺平均方法

1.2.3 大涡模拟方法

1.3 本文主要工作

第二章 控制方程与数值方法

2.1 控制方程

2.2 计算方法

2.2.1 中心型有限体积法

2.2.2 空间离散格式

2.2.3 时间推进格式

2.3 湍流模拟

2.3.1 RANS方法

2.3.2 LES和DES方法

第三章 超临界翼型带稳态激波的雷诺数效应研究

3.1 引言

3.2 计算结果验证

3.3 计算结果与讨论

3.3.1 雷诺数对气动力系数曲线的影响

3.3.2 雷诺数影响的基本规律

3.3.3 数值计算与风洞试验的相关讨论

3.4 本章小结

第四章 超临界翼型带运动激波的雷诺数效应研究

4.1 引言

4.2 计算参数及程序验证

4.2.1 计算参数

4.2.2 程序验证

4.3 计算结果与讨论

4.3.1 稳态激波时的雷诺数影响

4.3.2 激波振荡运动起始阶段的雷诺数影响

4.3.3 中度抖振阶段的雷诺数影响

4.3.4 深度抖振阶段时的雷诺数影响

4.3.5 激波振荡运动过程描述

4.4 本章小结

第五章 工作总结和研究展望

5.1 工作总结

5.2 研究展望

参考文献

致谢