激波/湍流边界层干扰压力脉动特性数值研究

激波/湍流边界层干扰问题广泛存在于高速飞行器内外流动中,激波干扰会导致局部流场出现强压力脉动,严重影响飞行器气动性能和飞行安全.为了考察干扰区内脉动压力的统计特性,对来流马赫数2.25,激波角33.2°的入射激波与平板湍流边界层相互作用问题进行了直接数值模拟研究.在对计算结果进行细致验证的基础上,分析比较了干扰区外层和物面脉动压力的典型统计特征,如脉动强度、功率谱密度、两点相关和时空关联特性等,着重探讨了两者的差异及其原因.研究发现,激波干扰对外层和物面压力脉动的影响差异显著.分离区内脉动以低频特征为主,随后再附区外层压力脉动的峰值频率往高频区偏移,而物面压力脉动的低频能量仍相对较高.两点相关结果表明,外层和物面脉动压力的展向关联性均明显强于其流向,前者积分尺度过激波急剧增长随后缓慢衰减,而后者积分尺度整体上呈现逐步增大趋势.此外,时空关联分析结果指出,脉动压力关联系数等值线仍符合经典的椭圆形分布,干扰区下游压力脉动对流速度将减小,外层对流速度仍明显高于物面.

激波/湍流边界层干扰分离泡直接数值模拟

采用直接数值模拟(DNS)方法对来流马赫数为2.25、33.2°激波角的入射激波/平板湍流边界层干扰分离泡进行了数值研究。在验证了计算结果可靠性的基础上,通过分析比较3个不同展向站位分离泡的非定常运动特性、分离微团几何特征和相干结构等,定量考察了三维展向结构差异的影响规律。研究发现,分离泡存在复杂的三维结构,其流向长度明显大于法向高度和展向宽度,整体上沿展向呈现中间高两边低的扁平型单峰结构。分离泡面积脉动预乘功率谱结果表明,分离泡的非定常运动表征为大尺度低频膨胀/收缩过程,其展向三维结构对峰值频率的影响较小,且分离泡两侧略滞后于中间。采用经验模态分解(EMD)方法对分离泡低频膨胀/收缩过程进行了条件统计分析。统计结果表明,膨胀和收缩运动对分离微团几何特征没有实质影响,各展向站位分离微团高度/长度比值的概率峰值出现在0.1附近,同时分离微团面积和法向高度近似满足二次方分布。此外,流向速度脉动场的本征正交分解(POD)分析指出,分离泡的非定常运动与低阶模态密切相关,而高阶模态的贡献相对较小。采用前10个低阶模态可以准确重构出分离泡的低频膨胀/收缩过程。

压缩-膨胀湍流边界层平均摩阻分解

采用直接数值模拟对来流马赫数2.9、24°压缩-膨胀折角构型中激波与湍流边界层干扰问题进行了研究。重点关注膨胀折角法向高度对激波干扰区以及下游平板边界层流动的影响。研究发现,当高度足够大时,激波干扰区内未受下游膨胀波的影响,此时的流动特征与传统的压缩折角干扰构型一致。高度较小时,脱体剪切层的再附过程受到下游膨胀波的加速影响,导致再附点向上游移动,分离泡发生剧烈收缩。对上、下游平板湍流边界层应用了平均摩阻分解技术,比较了湍流边界层在平衡和非平衡状态下的差异。分析发现,膨胀折角区域的高摩阻现象主要与摩阻分解后的C_(f1)项与C_(f3)项相关。高度变化对C_(f1)项影响较小,而对C_(f2)项影响显著。高度变化体现在:下游平板上Görtler涡结构强度以及层流化现象对C_(f2)项贡献的差异。

圣诞礼物

墨绿色的圣诞树下堆满了缤纷的礼物，亮红色的装饰品被金色的铃铛簇拥，四处挂满的霓虹灯仿佛诉说着闪烁的快乐……又是一年圣诞了，大街上充盈着幸福与甜蜜。