具有激波和湍流旋渦分離的可壓縮繞流數(shù)值研究.pdf

1、具有激波和湍流旋渦分離的可壓縮繞流問題是當(dāng)今流體力學(xué)研究的前沿課題之一，有著重要的工程應(yīng)用背景，蘊(yùn)含其中的諸多復(fù)雜流動(dòng)物理亟待探索。本文采用分離渦模擬和大渦模擬方法研究了三類典型流動(dòng)問題，包括對(duì)稱雙弧翼型跨聲速繞流、圓球跨聲速繞流以及超聲速來流下球柱體反向噴流。主要工作和研究成果如下：
　　 (1)采用分離渦模擬方法研究了M∞=0.76、Re=1.1×107來流下繞18％厚度的對(duì)稱雙弧翼型的可壓縮流動(dòng)。系統(tǒng)地分析了該復(fù)雜流動(dòng)中的

2、若干基本現(xiàn)象，如激波運(yùn)動(dòng)、湍流邊界層特性、流場(chǎng)演化中相干結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)過程等。從理論上提出了一個(gè)自激反饋模型，可以合理地預(yù)測(cè)激波在翼型上下表面往復(fù)運(yùn)動(dòng)的頻率。根據(jù)運(yùn)動(dòng)激波特征，沿翼型表面可以分為三種典型的流動(dòng)區(qū)域，即附著邊界層區(qū)、運(yùn)動(dòng)激波/湍流邊界層作用區(qū)以及間歇的邊界層分離區(qū)。詳細(xì)地分析了這三個(gè)流動(dòng)區(qū)域中的湍流統(tǒng)計(jì)量和相關(guān)的湍流行為。由于激波/邊界層的相互作用，一些與可壓縮性有關(guān)的物理量如壓力-脹量相關(guān)項(xiàng)和膨脹耗散項(xiàng)等會(huì)顯著增強(qiáng)

3、。進(jìn)一步分析了流場(chǎng)演化中相干結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)過程。在邊界層分離區(qū)中，壓力波向下游傳播的速度與相干結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)速度基本一致。瞬態(tài)Lamb矢量的散度和旋度分析表明，分離剪切層和運(yùn)動(dòng)激波呈現(xiàn)多層結(jié)構(gòu)，并分析了其動(dòng)力學(xué)過程。脈動(dòng)壓力場(chǎng)的本征正交分解分析指出，占主導(dǎo)的模態(tài)與運(yùn)動(dòng)激波以及尾跡區(qū)中分離的剪切層密切相關(guān)。
　　 (2)采用大渦模擬方法研究了繞圓球的跨聲速流動(dòng)，著重分析流場(chǎng)結(jié)構(gòu)、湍流特性以及近場(chǎng)壓縮波傳播等流動(dòng)現(xiàn)象。根據(jù)剪切層的

4、演化特征，流場(chǎng)可分為四個(gè)典型區(qū)域，即初始段、線性區(qū)、再壓縮區(qū)以及尾跡區(qū)。詳細(xì)地分析了流場(chǎng)的湍流特性。由于流動(dòng)的可壓縮性較弱，壓力-脹量相關(guān)項(xiàng)和膨脹耗散項(xiàng)相對(duì)較小。沿剪切層Reynolds正應(yīng)力的流向分量占主導(dǎo)地位，在再壓縮過程的作用下顯著增強(qiáng)，并且湍流結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯改變。通過相干結(jié)構(gòu)和速度梯度矩陣的研究發(fā)現(xiàn)，在剪切層的再壓縮區(qū)內(nèi)，特征不變量聯(lián)合概率密度呈“淚珠狀”分布，其變化反映了流動(dòng)中的耗散作用以及剪切層的發(fā)展演化過程。統(tǒng)計(jì)分析表明，側(cè)

5、向載荷的方向遵循均勻分布、幅值符合Rayleigh分布。渦量輸運(yùn)方程的逐項(xiàng)分析發(fā)現(xiàn)，渦的拉伸/扭曲效應(yīng)占主導(dǎo)地位。瞬態(tài)Lamb矢量散度的分布在分離剪切層中呈現(xiàn)雙層結(jié)構(gòu)，反映了動(dòng)量交換的過程。脈動(dòng)壓力場(chǎng)的本征正交分解分析指出，近尾跡的模態(tài)呈現(xiàn)出偶極子、四極子、六極子和八極子等結(jié)構(gòu)；遠(yuǎn)尾跡中則出現(xiàn)了內(nèi)外雙層模態(tài)結(jié)構(gòu)，如內(nèi)外雙偶極子、雙四極子等。
　　 (3)采用大渦模擬方法研究了球柱體反向噴流與超聲速來流的復(fù)雜相互作用問題。射流與來

6、流的總壓比是決定流動(dòng)狀態(tài)的一個(gè)重要參數(shù)，計(jì)算分別取0.816和1.633兩種情況，合理地模擬了實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的典型狀態(tài)：不穩(wěn)定流態(tài)和穩(wěn)定流態(tài)；、并分析了這兩種流態(tài)下的射流結(jié)構(gòu)演化和剪切層特征。在錐形剪切層內(nèi)，剪切應(yīng)力沿流向的演化呈現(xiàn)兩個(gè)極大值，這與射流和來流相互作用以及再附過程密切相關(guān)。流向正應(yīng)力在混合過程中占主導(dǎo)地位。采用廣義Lamb矢量散度分析了剪切層中的相干結(jié)構(gòu)，并合理地捕捉到由激波造成的熵變特性。采用本征正交分解方法研究了不穩(wěn)定流態(tài)