超声速小攻角钝锥边界层稳定性分析及转捩预测研究

论文摘要

本文以来流马赫数为6的小钝度小攻角圆锥边界层为对象，采用直接数值模拟的方法，利用流动稳定性理论分析了相同来流条件下多种钝度、多个攻角的圆锥边界层的稳定性问题；并用直接数值模拟的方法研究了小攻角钝锥边界层中小扰动的演化过程，验证了线性稳定性理论的结果；最后，用直接数值模拟的方法对扰动的非线性演化过程进行研究并对转捩位置的预测进行了初步探讨。在计算定常基本流时，对计算方案进行了改进，大大缩短了基本流场的计算时间。通过计算和分析，得到如下结论：1.对圆锥头部钝度的研究结果：圆锥钝头使流场变得稳定，不稳定区域向后推移。钝头的影响范围在300倍头部半径之内，之后流场的稳定性特性与尖锥的一致。2.对小攻角圆锥边界层的流动稳定性分析结果：攻角使边界层厚度在迎风面减小，在背风面增加，从而改变了各子午面上不稳定波的频率范围。零攻角时边界层开始失稳的位置最靠下游，随着攻角增加，开始失稳位置在迎风面和背风面均向上游移动，在背风面前移的较多。利用eN方法计算扰动沿流向的增长，结果表明在流向相同位置，背风面的扰动增长更大。3.对小扰动演化的数值模拟的研究结果：单个频率的小扰动的演化过程与流动稳定性理论分析的结果基本相符，这表明流动稳定性理论在超声速小攻角小钝度圆锥绕流的三维边界层中是适用的。当扰动幅值超过0.07后，非线性的作用开始明显。几个频率的扰动共存时，各频率扰动的演化发展与加单个频率时的相同，相互作用不明显。4.对转捩位置预测的数值模拟研究结果：在计算域入口加较大幅值扰动，计算域内可以出现转捩现象。根据扰动的增长速度和壁面摩擦系数曲线都可以判断转捩开始的位置，这两中方法判断出的转捩开始位置基本一致。计算结果表明，转捩位置的周向分布与计算域入口扰动有密切的关系，改变入口处的扰动，可以得到完全不同的分布形式。在开始转捩的位置附近，各频率的扰动幅值为来流速度的1.0~3.2%，比较分散，迎风面和背风面的差别也较大。但是，总的扰动速度幅值在转捩开始的位置附近基本都是来流速度的5%。因此，在预测转捩位置时，以流场中总扰动的幅值作为转捩开始的判据可能更为合理。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 稳定性理论及转捩预测的eN方法简介
• 1.2 超音速流场稳定性特点
• 1.3 实验研究概况
• 1.4 锥体与平板边界层的关系
• 1.5 头部钝度和攻角对高超声速锥体转捩的影响
• 1.5.1 头部钝度
• 1.5.2 攻角
• 1.6 本文的目的、内容和意义
• 1.6.1 本课题组近期研究成果简介
• 1.6.2 本文的主要工作内容
• 1.7 本文的创新点
• 第二章 控制方程及计算方法
• 2.1 研究问题简介和计算域及坐标系的选取
• 2.2 控制方程
• 2.2.1 三维控制方程的推导
• 2.2.2 坐标变换
• 2.2.3 方程的无量纲化
• 2.2.4 通量分裂
• 2.2.5 零攻角时的特殊形式
• 2.3 数值方法
• 2.3.1 网格分布
• 2.3.2 差分格式
• 2.3.3 边界条件和初始条件
• 第三章 基本流的计算
• 3.1 定常基本流计算方案的改进
• 3.2 网格加密验证
• 3.2.1 零攻角情况讨论
• 3.2.2 2 度攻角情况讨论周向网格
• 3.3 本章小结
• 第四章 钝锥边界层的稳定性分析与数值模拟
• 4.1 研究背景
• 4.2 锥头钝度对稳定性的影响
• 4.2.1 参数的选取
• 4.2.2 结果分析与讨论
• 4.2.3 小结
• 4.3 攻角对流场稳定性的影响
• 4.3.1 参数的选取
• 4.3.2 基本流
• 4.3.3 稳定性分析
• 4.3.4 小结
• 4.4 小扰动演化的直接数值模拟
• 4.4.1 计算域选取及基本流比较
• 4.4.2 α = 1?情况模拟
• 4.4.3 α = 2?情况模拟
• 4.5 线性理论适用幅值范围的分析研究
• 4.5.1 计算条件
• 4.5.2 结果分析
• 4.6 本章小结
• 第五章 钝锥边界层转捩预测的数值研究
• 5.1 转捩过程的数值模拟
• 5.1.1 参数的选取
• 5.1.2 算例1：入口扰动幅值相同
• 5.1.3 算例2：根据传统e N 方法，从中性曲线第一分支开始积分，算出入口处扰动幅值
• 5.1.4 算例3：根据实验结果，考虑在中性曲线第一分支处扰动幅值的不同
• 5.2 转捩过程的分析研究
• 5.3 本章小节
• 第六章 结论
• 参考文献
• 发表论文和科研情况说明
• 附录
• 致谢