高超音速圆锥边界层的转捩预测及e-N方法的改进

论文摘要

正确预测飞行器表面的摩阻和热参数对于高超音速飞行器的成功设计是至关重要的,而这又取决于边界层转捩位置的正确预测。尖和小球头锥是这类飞行器前身的典型组成部分。本文研究零攻角和小攻角、超音速和高超音速、尖锥和小钝头锥边界层的转捩预测问题。首先,研究了高超音速零攻角小球头锥边界层的稳定性特点,并用e-N法进行了转捩预测。其次,讨论了e-N方法在三维边界层中的应用。对于来流小攻角的锥体边界层,传统的e-N方法即使在定性上也不能给出正确结果。根据我们以前的一些工作,对e-N方法进行了新的诠释,并提出实质上的改进。最后,还对其他不同关键参数如攻角、半锥角、来流马赫数下的圆锥边界层转捩进行了预测。可以得到以下结论:1对于马赫数为6的零攻角高超音速小球头锥边界层,尽管第二模态波的最大放大率远远大于第一模态波的,但是对转捩起主导作用的并不总是第二模态波。第二模态波的确对等温边界层的转捩起主导作用,但对绝热边界层而言,反而是第一模态对转捩起主导作用。壁面温度边界条件对转捩影响很大,绝热边界层和等温边界层相比,转捩位置靠后将近60%。2三维边界层中的ZARF曲线不是唯一的。我们需要找到能使扰动增长最快的那条ZARF,作为e-N积分的基础。3对于马赫数为6的小攻角高超音速尖锥边界层,传统的e-N方法即使在定性上也不能给出正确的转捩预测结果。改进后的e-N方法则可以得到一个相当合理的结果。但是它要依赖于对初始扰动的正确预估,这显然又取决于更多飞行数据的积累和分析。e-N方法的转捩预测结果与直接数值模拟得到的结果也吻合较好。4通过对不同来流攻角、不同半锥角和不同马赫数的三维圆锥边界层的转捩位置进行预测,证实了改进的e-N方法对于三维边界层转捩预测是可靠的。5对于基本流的计算,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,但背风面的剖面不可靠。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.2 与转捩有关的研究
• 1.2.1 感受性
• 1.2.2 稳定性理论
• 1.2.3 e-N 方法和转捩预测
• 1.3 圆锥边界层的转捩研究
• 1.3.1 圆锥边界层与平板边界层的关系
• 1.3.2 钝度对转捩的影响
• 1.3.3 攻角对转捩的影响
• 1.4 本文的主要工作
• 1.4.1 零攻角小钝度钝锥的转捩预测
• 1.4.2 小攻角尖锥的转捩预测
• 1.4.3 改进后的e-N 方法的应用
• 第二章 基本流的直接数值模拟
• 2.1 物理模型和网格分布
• 2.2 控制方程
• 2.2.1 柱坐标系下的控制方程
• 2.2.2 坐标变换
• 2.2.3 方程的无量纲化
• 2.3 数值方法和边界条件
• 2.3.1 通量分裂
• 2.3.2 差分格式
• 2.3.3 边界条件
• 2.4 程序验证
• 第三章 边界层方程计算基本流
• 3.1 无粘流场的计算
• 3.1.1 来流零攻角
• 3.1.2 来流小攻角
• 3.1.3 有攻角无粘流的结果和验证
• 3.2 边界层方程的求解
• 3.2.1 盒式方法求解边界层方程
• 3.2.2 物理坐标系下求解边界层方程
• 3.3 计算结果与直接数值模拟结果比较
• 3.3.1 来流零攻角情况——Case 1
• 3.3.2 来流小攻角情况——Case 2、Case 3
• 第四章 高超音速零攻角小球头锥边界层的稳定性分析和转捩预测
• 4.1 基于线性稳定性理论的e-N 方法
• 4.2 绝热壁和等温壁基本流比较
• 4.3 稳定性分析和转捩预测
• 4.4 本章小结
• 第五章 小攻角尖锥边界层的转捩预测及e-N 法的改进
• 5.1 三维边界层的e-N 方法
• 5.2 三维边界层的稳定性分析
• 5.3 传统e-N 法预测的结果和讨论
• 5.4 传统e-N 方法的不足及改进
• 5.5 积分起始位置的选择
• 5.6 与直接数值模拟的结果比较
• 5.7 本章小结
• 第六章 其他参数下的圆锥边界层的转捩预测
• 6.1 算例的选取
• 6.2 算例1：攻角为0.2°，0.5°的高超音速尖锥边界层转捩
• 6.3 算例2：大钝头钝锥的高超音速边界层转捩
• 6.4 算例3：马赫数为3.5 的超音速圆锥边界层转捩
• 6.4.1 壁面温度对转捩的影响
• 6.4.2 与实验结果的比较
• 6.5 本章小结
• 第七章 结论
• 参考文献
• 发表论文和科研情况说明
• 附录
• 致谢