小攻角高超音速尖锥边界层的转捩预测及e~N法的改进

研究小攻角高超音速尖锥边界层的转捩预测问题.来流马赫数为6,锥的半锥角为5°,攻角为1°.采用传统的eN方法得到的转捩位置很不令人满意.原因在于,在传统的做法中,只考虑了增长中的扰动波,而事实上对于不同的子午面,扰动在开始增长前的衰减过程是各不相同的.根据我们以前的一些工作,对eN方法进行了新的诠释,并且提出实质上的改进.不仅考虑了扰动的增长过程还考虑了扰动的衰减过程.由线性理论计算得到的扰动从初始幅值增长到1%的位置被看作是转捩位置.这样得到的新的转捩预测结果相当令人满意.此外,对于基本流的计算,研究表明边界层方程可以用于小攻角的情况,其计算量远远小于直接数值模拟.     

小攻角高超音速尖锥边界层的转捩预测及e^N法的改进

研究小攻角高超音速尖锥边界层的转捩预测问题．来流马赫数为6,锥的半锥角为5°,攻角为1°．采用传统的e^N方法得到的转捩位置很不令人满意．原因在于,在传统的做法中,只考虑了增长中的扰动波,而事实上对于不同的子午面,扰动在开始增长前的衰减过程是各不相同的．根据我们以前的一些工作,对e^N方法进行了新的诠释,并且提出实质上的改进．不仅考虑了扰动的增长过程还考虑了扰动的衰减过程．由线性理论计算得到的扰动从初始幅值增长到1％的位置被看作是转捩位置．这样得到的新的转捩预测结果相当令人满意．此外,对于基本流的计算,研究表明边界层方程可以用于小攻角的情况,其计算量远远小于直接数值模拟．     

高超声速圆锥边界层转捩反转数值研究

为研究高超声速边界层转捩中存在的转捩反转现象,基于雷诺平均的N-S方程,采用γ转捩模型对高超声速圆锥体绕流进行数值模拟,得到了圆锥边界层转捩位置随攻角、头部钝度的变化规律,分析了圆锥边界层转捩反转现象的流动机理.结果表明：当圆锥头部钝度增大到一定值时,圆锥边界层转捩位置随攻角增大呈现迎风面提前、背风面推迟的反转现象;圆锥边界层转捩出现攻角反转现象时,迎风面摩阻系数明显大于背风面摩阻系数且转捩前后摩阻变化更大,此时应重点关注迎风面的热防护;在零攻角条件下,随着圆锥头部钝度从很小值逐渐增大,圆锥边界层转捩位置呈现出“N”型反转现象;圆锥头部钝度增大到一定值时出现的边界层转捩反转现象的可能原因是随钝度增大头部激波后熵层高度显著增大引起的.     

基于雷诺平均方法的高超音速边界层转捩模拟

基于雷诺平均方法,建立了一种合理反映扰动模态和可压缩性影响的新型k-ω-γ湍流／转捩模式,它由关于间歇因子γ、脉动动能k及其单位耗散率ω的3个输运方程组成．其主要特点为：（i）k包含湍流脉动部分和非湍流脉动部分,且对后者的模化应用了稳定性分析的结果;（ii）γ方程的源项中构造了具有“自动判断转捩起始位置”功能的函数;（iii）构造的新型物面法向长度尺度使该模式的所有表达式均由当地变量构成,可以方便地应用于现代CFD程序之中;（iv）该模式在完全湍流区还原为标准的SST湍流模式．模式在亚音速、超音速和高超音速条件下的边界层流动中进行了验证．计算结果表明,该模式可应用于较宽马赫数范围,所具有的捕捉流动转捩的性能优于国际上的现有模式．     

超音速平板边界层转捩中层流突变为湍流的机理——时间模式

采用时间模式对来流Mach数为4.5的平板边界层转捩过程做了直接数值模拟, 然后对结果进行分析. 发现在层流-湍流转捩的breakdown过程中, 层流剖面得以快速转变为湍流剖面的机理在于扰动增长后, 对平均剖面进行的修正导致了其稳定性特征的显著变化. 虽然在层流下第二模态T-S波更不稳定, 但在层流突变为湍流的过程中, 第一模态不稳定波却占主导作用.     

边界层转捩过程中环状涡和尖峰结构的演化

采用高精度直接数值模拟方法, 研究在边界层转捩过程后阶段中的环状涡和尖峰结构的非线性演化及其对流动的影响. 以平板可压缩流边界层转捩为例, 精细的数值模拟清楚地展示了环状涡等典型的涡结构及其上喷和下扫的流动现象, 证实了边界层转捩过程中尖峰结构的形成与环状涡紧密相关, 特别是, 对于最近在实验中观测到的正尖峰结构, 文中的数值结果也发现同样的结构, 并进行了相应的机理分析.     

Gao-Yong湍流模型对边界层转捩的适用性研究

准确预测边界层转捩对深入理解湍流边界层发展和飞行器翼型优化工业应用等具有重要意义。为提升Gao-Yong(G-Y)湍流模型对平板边界层发展及转捩特性预测的准确性与适用性,该文提出了采用G-Y漂移位矢Reynolds数(Re_T)表征当地湍流脉动强度的方法,建立实度系数(Cs)与Re_T间的函数关系,解决G-Y湍流模型中Cs取值间断、分布离散的问题。基于开源OpenFOAM软件开发了改进G-Y湍流模型的求解器,对经典平板边界层和转捩实验开展计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)数值模拟并验证。研究结果表明,相比k-ω等传统雷诺平均(Reynolds averaged Naviers-Stokes,RANS)模型,改进后的G-Y湍流模型不仅能准确模拟边界层流动特征,还能合理预测边界层发展过程及转捩位置,准确性较高。结果表明,经过改进的G-Y湍流模型可进一步用于对边界层转捩特性的研究。     

可压缩钝楔边界层转捩到湍流的直接数值模拟

直接数值模拟了来流Mach数为6的钝楔边界层在特定扰动(音速点附近壁面吹吸)下的转捩到湍流的整个过程. 分析了平均速度剖面, 脉动速度均方根及剪切应力等统计量, 并与不可压理论及实验结果进行了比较. 展示了转捩过程中的涡结构并分析了压力梯度对转捩的影响.     

有攻角高超声速穿甲弹气动烧蚀的研究

该文采用“轴对称比拟”的研究方法，运用相似性理论，基于小横向流假设，研究了有攻角高超声速穿甲弹的气动烧蚀。通过耦合计算物面流线几何形状、比例因子、气动加热烧蚀模型，结果表明弹丸头部出现了严重的不对称变形，这将引起弹丸气动力的较大变化，可能导致弹丸飞行稳定性和密集度的降低，对今后进行高超声速穿甲弹的设计有重要的促进作用。     

边界层人工转捩的大涡模拟及壁面脉动压力研究

为了验证边界层人工转捩技术实现船模边界层壁面脉动压力载荷相似的可行性,采用大涡模拟以及功率谱估计获得平板湍流边界层壁面脉动压力功率谱,并与试验值、半经验模型值进行了对比,验证了数值模拟的可靠性。采用大涡模拟获得了绊线上下游壁面脉动压力的均方值、自功率谱和波数频率谱;以脉动压力均方值、自功率谱特征为判据,对比了方形、锯齿形绊线的转捩效果。结果表明:绊线高度雷诺数大于吉宾斯雷诺数;两种绊线均可实现边界层转捩,且壁面脉动压力的功率谱特征、谱级相近;与同流速平板湍流边界层相比,即使在当地雷诺数较低时,绊线下游边界层壁面脉动压力自功率谱平台区仍然高出10 dB左右。设计的绊线可用于减弱船模边界层壁面脉动压力的尺度效应,并有助于实现壁面脉动压力载荷相似。     

潜艇大攻角非稳定运动时的水动力计算方法

将艇体看作回转体，在轴线上分布离散的点源模拟艇体，用升力面理论的涡环栅格法模拟附体；用分离涡模型考虑大攻角时的边界层分离效应，并将三维稳定流动的分离问题简化为二维非稳定流动的分离问题。非稳定运动时，结合潜艇六自由度空间运动方程计算水动力，同时预报潜艇的运动。     

竖直加热平板自然对流边界层中流动稳定性与转捩过程的实验研究

对恒壁温竖直加热平板的自然对流边界层的流动稳定性与转捩过程进行了试验研究,研究结果表明在外层速度剖面拐点处测得的线性不稳定波的特性与Brewster和Gebhart的计算基本一致。在低频成分首先增长后,随着Grashof数的增加高频成分迅速发展,在湍流化过程中逐渐形成浮力子区;与此同时,在内层近壁处的测量发现,在更高频段存在一种具有较强选频特性的不稳定波及其亚谐波,并在转捩后期 Gr≈378.6 时于其频谱的高频一侧逐渐形成惯性子区。     

纵掠平板速度和温度边界层湍流转捩区的积分方法

转捩边界层内壁面摩擦和传热特性急剧变化,转捩区的速度和温度分布特性研究具有重要理论意义.以外掠平板空气为研究对象,将自然转捩边界层沿厚度方向划分为层流底层和准湍流层两部分,采用三次多项式代表层流底层、1/7.5和1/7幂指数函数代表准湍流层速度和温度分布,利用积分方法建立了动量和能量积分方程组,获得了转捩区速度场和温度场的显式表达式,同时确定了壁面摩擦系数和努塞尔数大小,通过四阶龙格-库塔算法获得了动量和热边界层厚度大小,同数值解、DhawanNarasimha解(D-N解)和Coupland基准实验结果对比表明,给定条件下理论解精度达到4.8%,证明了理论模型的正确性,对提出的转捩边界层特征参数进行了参数研究,并给出间歇因子对层流底层的影响规律.     

四阶椭圆型方程的角边界层现象

本文研究某类四阶椭圆型方程奇摄动边值问题解的角边界层现象，为了消除边界层函数在角点的影响，我们在角点的领域构造角边界函数并给出有关的余项估计。     

细长体大攻角非对称分离的数值模拟研究

对于旋成体大攻角非对称分离进行数值模拟.通过对DES方法和RANS方法模拟细长体非对称分离流动不同结果的比较,揭示了DES方法在大攻角分离流动模拟方面具有明显的优势,能充分模拟出大攻角分离的非对称特性.通过对比研究,说明DES方法是适合细长体非对称分离研究的数值方法.     

飞机大攻角俯仰飞行的稳定域分析

基于大攻角飞行条件下的动力学方程,定性分析了飞机在大攻角条件下作俯仰飞行的动力学特性。提出了在不同参数匹配条件下的飞行稳定性,并据此划分了飞机的飞行稳定域。     

基于鸭式布局的有控弹药攻角运动仿真研究

为了研究鸭式布局有控弹药控制过程中攻角变化的动态过程,寻求合理的舵控方式,以一对鸭舵控制的炮弹为例,引入常用的舵控波形,建立了六自由度刚体有控弹道模型,研究了鸭舵控制对复攻角运动的影响,推导了简化的控制传递函数,用于分析各弹道特征点上气动参数变化带来的影响.数值计算和MATLAB建模仿真表明,采用最大周期平均力时鸭舵的控制效率最高,但也会引起攻角的强烈震荡,不适于弹药稳定性要求较高的情形.     

攻角对长杆弹高速斜侵彻性能的影响

为了提高穿甲弹的侵彻性能,研究了攻角对杆式弹侵彻性能的影响规律。利用非线性动力学有限元分析软件,对长径比为21的钨芯长杆弹高速斜侵彻匀质钢板进行了一系列数值模拟,得到了侵蚀杆式弹侵彻半无限靶板时弹靶系统的变化过程。理论计算及数值模拟均表明,带攻角侵彻时弹道轨迹向有利于穿透靶板的一侧偏转。通过对剩余动能、侵彻深度、剩余速度、穿透时间各因素的分析,得出了对长径比为21的钨合金杆式弹穿深有利的攻角范围为-0.2°δ0°,给弹丸设计及发射过程中的参数优化提供理论依据。     

边界层转捩区的莫尔干涉法显示和处理

该文从实验上介绍了大口径高灵敏度莫尔干涉仪在高超音速激波风洞中模型边界层转捩区显示的应用,从理论上简述了其测量原理;通过计算机图像处理技术,定量计算了马赫数M=10.29,Re/L=1.38×10~7l/m状态下20°尖锥模型边界层转捩区内的密度分布     

小攻角下水下高速射弹的空泡形态特性

基于流体计算软件Fluent,在小攻角小空泡数下对高速射弹形成自然超空泡的空泡形态特性进行了数值仿真研究。采用二维求解器计算了某口径高速射弹超空泡流形态,并与SCAV软件计算结果进行了比较分析,二者吻合较好,验证了计算模型与参数选择的正确性;采用三维求解器对非零攻角下高速射弹的超空泡流动特性进行了模拟,给出了射弹的超空泡轮廓和射弹表面的空泡厚度分布曲线,分析了小攻角对高速射弹空泡形态特性的影响规律,攻角严重影响超空泡的对称性。研究结果为进一步研究水下高速射弹的水动力特性和弹道特性等问题提供了理论基础。