超聲速直管道內(nèi)流的大渦模擬研究.pdf

1、超聲速內(nèi)流問(wèn)題在航空航天領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用背景，并在流動(dòng)物理研究方面具有重要的科學(xué)意義。本文以超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的隔離段為背景，采用大渦模擬方法對(duì)幾種不同的直管道內(nèi)流問(wèn)題進(jìn)行了研究，包括直管道內(nèi)的正激波串問(wèn)題和斜激波系問(wèn)題、恒定背壓以及周期背壓作用下直管道內(nèi)的復(fù)雜流動(dòng)問(wèn)題。具體工作和研究成果如下:
　　(1)研究了超聲速直管道內(nèi)流問(wèn)題。合理模擬了實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到的正激波串現(xiàn)象，系統(tǒng)分析了該問(wèn)題中的若干基本流動(dòng)現(xiàn)象，如正激波串、激波邊界層相

2、互作用以及流場(chǎng)非定常特性等。流場(chǎng)中激波結(jié)構(gòu)和分離剪切層對(duì)湍流統(tǒng)計(jì)量具有明顯的影響。結(jié)果表明，由于激波串的存在及其非定常特征，湍流強(qiáng)度以及湍動(dòng)能在激波位置明顯增強(qiáng)。同時(shí)激波的非定常振蕩會(huì)導(dǎo)致壓力脈動(dòng)量的增大。對(duì)湍動(dòng)能輸運(yùn)方程的分析表明，激波的非定常振蕩以及分離剪切層對(duì)湍動(dòng)能的生成具有明顯的促進(jìn)效應(yīng)，而壓力脈動(dòng)輸運(yùn)方程的生成項(xiàng)顯示激波是壓力脈動(dòng)生成的主要因素。進(jìn)而研究了流場(chǎng)的非定常特性，通過(guò)對(duì)流場(chǎng)中的壓力脈動(dòng)場(chǎng)進(jìn)行本征正交分解(POD)分析

3、，發(fā)現(xiàn)流場(chǎng)中激波串的非定常振蕩和剪切層的失穩(wěn)脫渦是流場(chǎng)非定常特性的主要因素。
　　(2)研究了超聲速直管道內(nèi)復(fù)雜流動(dòng)現(xiàn)象和不同壓力梯度下局部流動(dòng)拓?fù)涮匦浴：侠淼啬M了超聲速直管道內(nèi)的斜激波系，在速度梯度張量不變量空間內(nèi)系統(tǒng)地分析了局部流動(dòng)拓?fù)湓诓煌瑝毫μ荻扔绊懴碌奶匦?。在逆壓梯度區(qū)，粘性底層以不穩(wěn)定的流動(dòng)拓?fù)錇橹?，在順壓梯度和零壓力梯度區(qū)則以旋轉(zhuǎn)占優(yōu)的流動(dòng)拓?fù)錇橹?。同時(shí)對(duì)不同壓力梯度區(qū)域中耗散和擬渦能基于流動(dòng)拓?fù)涞臈l件平均分布進(jìn)行

4、了討論，研究了不同的流動(dòng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及壓力梯度對(duì)耗散和擬渦能的貢獻(xiàn)。討論了應(yīng)變、應(yīng)變與渦量的相互作用，以及它們與局部流動(dòng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的關(guān)系。由于逆壓梯度的影響，平均的第二主應(yīng)變率更傾向于正值，流場(chǎng)中更傾向于sheet-like結(jié)構(gòu)的生成。研究表明，第二主應(yīng)變率與應(yīng)變占優(yōu)的流動(dòng)拓?fù)涿芮邢嚓P(guān)。通過(guò)渦與應(yīng)變相互作用的討論發(fā)現(xiàn)，順壓梯度的存在有利于第二主應(yīng)變率與渦量的方向一致。
　　(3)研究了恒定背壓條件下超聲速直管道內(nèi)流問(wèn)題。討論了高背壓引起

5、的內(nèi)部復(fù)雜流動(dòng)現(xiàn)象和湍流統(tǒng)計(jì)特性，研究表明高背壓的引入會(huì)誘導(dǎo)管道內(nèi)強(qiáng)的壓力脈動(dòng)。通過(guò)基于局部流動(dòng)拓?fù)涞姆治鍪侄?，?duì)壓力脈動(dòng)的特性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)壓力脈動(dòng)主要由不穩(wěn)定應(yīng)變占優(yōu)流動(dòng)拓?fù)?UN/S/S)引起。同時(shí)，由膨脹壓縮性引入的旋轉(zhuǎn)占優(yōu)流動(dòng)拓?fù)?SFC和UFS)對(duì)壓力脈動(dòng)的產(chǎn)生也有大的貢獻(xiàn)，通過(guò)對(duì)應(yīng)變率張量各分量與渦量的相互作用分析發(fā)現(xiàn)，應(yīng)變對(duì)壓力脈動(dòng)的貢獻(xiàn)更大。通過(guò)對(duì)流場(chǎng)中膨脹壓縮效應(yīng)對(duì)壓力脈動(dòng)影響的分析發(fā)現(xiàn)，壓縮效應(yīng)對(duì)壓力脈動(dòng)具有明顯

6、的促進(jìn)作用，在不穩(wěn)定應(yīng)變占優(yōu)流動(dòng)拓?fù)?UN/S/S)發(fā)生的情況下這種影響更為突出。
　　(4)研究了周期背壓條件下超聲速直管道內(nèi)流問(wèn)題。考察了管道出口位置引入的周期變化背壓所導(dǎo)致的激波串、分離和分離剪切層等一系列復(fù)雜的流動(dòng)現(xiàn)象，重點(diǎn)對(duì)不同周期背壓條件下流場(chǎng)結(jié)構(gòu)、湍流統(tǒng)計(jì)特性和壓力脈動(dòng)特征進(jìn)行了討論。低頻的背壓會(huì)造成流場(chǎng)中流動(dòng)結(jié)構(gòu)明顯的周期性振蕩，同時(shí)上壁面的分離泡會(huì)明顯加劇，誘導(dǎo)其分離激波的振蕩。低頻背壓情況下相位平均的流動(dòng)結(jié)構(gòu)在

7、不同相位具有明顯區(qū)別。由于周期背壓的引入，湍流統(tǒng)計(jì)量在流場(chǎng)不同位置存在明顯差異，流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的非定常振蕩促進(jìn)了湍流強(qiáng)度的增加。對(duì)流場(chǎng)中湍動(dòng)能輸運(yùn)方程的研究表明，低頻背壓對(duì)應(yīng)的輸運(yùn)方程各項(xiàng)有明顯的增幅。對(duì)流場(chǎng)中的壓力脈動(dòng)進(jìn)行研究，研究表明低頻背壓對(duì)于壓力脈動(dòng)的增加有更為明顯的影響，說(shuō)明低頻背壓更有利于管道內(nèi)壓力脈動(dòng)的生成。通過(guò)對(duì)壓力脈動(dòng)場(chǎng)的POD分析發(fā)現(xiàn)，低頻背壓對(duì)應(yīng)的流場(chǎng)周期性更強(qiáng)，且主要的相干結(jié)構(gòu)分布于管道中段。高頻背壓對(duì)應(yīng)的流場(chǎng)周期性較