超声速喷流激波噪声基础问题数值模拟研究进展

超声速喷流问题是一个包含激波、旋涡、湍流和声波的多尺度复杂流动问题,其数值模拟方法及激波噪声产生机制是相关研究的长期热点和难点。本文简要回顾了超声速喷流激波噪声研究进展,重点介绍了针对激波噪声计算方法的非物理噪声消除技术和光滑因子设计准则,针对超声速喷流激波噪声研究设计的模型问题(包括旋涡–旋涡相互作用、激波–旋涡相互作用和激波–剪切层相互作用等),以及轴对称和三维超声速喷流的研究进展。本文还介绍了作者最近针对超声速喷流开展的三维直接数值模拟、实验验证工作和初步分析结果(包括轴对称模态定位、束缚波演化和摆动模态发展等)。

基于涡流发生器的内转式进气道流场组织研究

内转式进气道唇罩激波/边界层扫掠干扰诱发类锥形涡并进一步发展成空间流向涡,导致低能流向压缩面侧堆积,流场参数分布不均匀。为了改善内转式进气道流场结构,本文采用数值仿真方法开展了涡流发生器(Vortex Generator,VG)及其几何参数对内转式进气道流动特性影响的研究。研究结果表明:VG安装于干扰区内,其诱导形成反向漩涡,减弱了压缩面侧流向涡强度,有效阻碍了低能流向压缩面迁移堆积,促进了低能流与主流掺混,原型进气道隔离段出口大尺度类圆形低总压区被分割成两个小尺度低总压区,有效提升了进气道流场均匀度。在研究范围内,VG高度和安装角影响进气道流动特性,随着VG高度与安装角增大,其诱导的反向漩涡增强,流场均匀度提升,总压恢复系数下降。与原型进气道相比,设计状态,通流条件下VG进气道隔离段出口总压恢复系数与畸变指数DC_(60)分别下降0.54%,36.8%;84,141倍反压条件下,VG进气道隔离段出口总压恢复系数分别上升4.60%,12.0%;有效改善了进气道流动特性。

高超声速飞行器激波干扰区缝隙流动传热特性研究

针对高超声速飞行器激波干扰区附近缝隙流动传热问题,建立激波发生器和缝隙的二维模型,利用CFD仿真分析技术,分别研究了激波作用于缝隙前、缝隙中和缝隙后情况下缝隙内部流动传热特性。结果表明,相比较无激波的状态,激波作用于缝隙前和缝隙中时,会明显改变缝隙内部流体的旋涡结构,使得缝隙内部流动强度和热量急剧增加;当激波作用于缝隙后部时,缝隙内部流体的旋涡结构没有明显改变,且靠近缝隙口的远端壁面热流有局部降低,有利于热防护结构的维型。研究结果表明,结构热防护设计时应避免激波作用在缝隙前部和中部的位置。

斜激波与内凹半圆柱面无粘相互作用

针对三维内转式进气道流动中激波入射内凹壁面主导的复杂波系干扰问题,采用斜激波入射内凹半圆柱面的简化构型,在来流马赫数为6的条件下,通过无粘数值模拟结合理论分析,研究了激波角β_(i)=14°~29°的斜激波在内凹半圆柱面反射形成的三维流场。结果表明,流场对称面均会出现显著高于二维情况的逆压梯度。当β_(i)≤25°时,从侧壁到对称面,斜激波经历了从马赫反射(MR)到规则反射(RR)的转变,形成了MR-RR型流场,转变点处产生的桥激波向对称面延伸,桥激波在对称面反射后产生的压力峰值高于二维斜激波反射;当β_(i)≥25°时,斜激波在侧壁和对称面均发生马赫反射,形成了MR-MR型流场,两种马赫反射分界点处产生的桥激波向侧壁发展,侧壁气流在对称面相撞后产生的压力峰值高于正激波后的压力;当β_(i)=25°时,流场存在MR-RR型和MR-MR型双解现象。通过降维分析理论,揭示了两类流场中转变点和分界点的形成机制,并厘清了桥激波的产生原因和初期演化特征。当β_(i)≥18°时,无粘激波干扰所主导的侧壁气流加剧向对称面汇聚,并在对称面附近产生流向涡对。无粘分析获得的认识,有助于揭示内转式进气道中流动汇聚和流向涡对等现象的形成机理。

一类TVD型的迎风紧致差分格式

给出一种迎风型TVD(total variation diminishing)格式的构造方法,该方法通过限制器来抑制线性紧致格式在模拟间断流场时的非物理波动,可构造出非线性TVD型紧致格式(CTVD).然后采用该法构造出了3阶和5阶的TVD型紧致格式,并通过模拟一维组合波和Riemann问题,二维激波_涡相互干扰和激波_边界层相互作用等来考察它们的性能.数值实验表明了该类格式的高阶精度和分辨率,且过间断基本无振荡.

双层壳型涡轮叶片中冲击旋流换热增益效果试验

以双层壳型涡轮叶片内冷通道中旋流换热特性为研究对象,采用热膜法,对双层壳型冷却结构中的狭小受限通道中,旋流作用下换热特性的变化规律开展了细致的试验研究。重点分析了冷却空气的旋流作用对换热的强化增益效果。试验中通过改变冲击Re数(10 000～20 000),冲击间距和冲击孔直径之比H/D(0.35～1.7)等参数,研究了其对旋流的形成及内表面局部换热系数的影响规律。研究发现:由于双层壳型叶片内冷通道的空间受限,冷却空气在通道内形成了旋流结构,该旋流结构显著影响了内表面的局部换热系数并可以有效提高换热效果。研究结果表明:内表面局部换热系数对冲击间距和冲击孔直径之比H/D最为敏感,对于不同冲击Re数,存在一个最佳的H/D使得旋流换热增益效果达到最大(Re=10 000时,最佳H/D为0.95;Re=15 000,20 000,最佳H/D=0.63)。

网格自适应技术在复杂外形流场模拟中的应用

建立了一套适用于非结构混合网格自适应方法,针对激波和涡的不同特征采用不同加密探测器,各向异性加密棱柱单元并沿物面法向方向剖分所有棱柱层,各向异性剖分四面体单元,并保证四面体与棱柱交界面上网格协调。构造Hermit插值近似投影物面新加网格点和基于Laplacian光滑方法对空间网格进行优化。通过网格自适应加密,使用Roe格式计算高超声速球头绕流的红玉现象得到明显减轻。F16飞机含激波和脱体涡的流场自适应计算表明,网格加密集中在激波面和涡核附近区域,激波和涡计算更准确。

激波风洞边界层强制转捩试验研究

针对升力体模型设计了涡流发生器,在中国空气动力研究与发展中心(CARDC)Φ2 m激波风洞上开展风洞试验,研究了高超声速边界层强制转捩问题。试验来流名义马赫数分别为10、12,单位雷诺数分别为2.4×10~/m、2.1×10~6/m,模型攻角10°。试验中应用铂薄膜热流传感器技术和温敏热图(TSP)技术测量了模型表面热流,证明涡流发生器实现了模型边界层强制转捩,使Φ2 m激波风洞拥有了模拟高马赫数低雷诺数湍流边界层的能力。试验结果表明,不同形状不同高度涡流发生器对边界层完全转捩成湍流后的热流影响不明显,由此可提出一种新的激波风洞试验方法,即利用涡流发生器开展相同来流条件下不同边界层流态对模型表面热流等边界层参数分布影响的试验研究。

三维超声速隔离段湍流内流场旋涡结构的数值模拟

从基于雷诺平均的N S方程出发 ,采用有限体积方法离散控制方程 ,数值模拟了三维超声速隔离段湍流内流场。计算中采用了二阶OC TVD差分格式、LU隐式算法和Baldwin Lomax代数湍流模型。数值结果与实验做了对比 ,并结合隔离段中的激波串结构分析了其横截面上旋涡结构的发展过程及不同外形条件下旋涡的不同结构。计算结果表明采用本文发展的方法模拟隔离段湍流流场是可行的 。

数值研究激波与旋涡的相互作用

从非定常形式的Euler方程出发,数值模拟了运动激波与旋涡相互作用的非定常流动过程。为保证激波具有较高的分辨率,采用对称型TVD格式进行了数值计算。结果表明。这样可以有效地模拟流场中一些复杂的流动现象,如激波变形、激波分叉和三波点的形成,以及旋涡结构的变化过程等,并与已有的实验流动显示相符良好。同时,也是对TVD格式求解这类问题的一次初步尝试。

超声速大攻角旋成体迎风激波数值模拟

旋成弹体在大攻角超声速流动中其迎风面上有时会出现一种迎风激波,采用非定常雷诺平均的Navier- Stokes方程以及两方程kw-sst和代数B-L湍流模型成功地模拟了该现象,验证了该迎风激波是由于流场主旋涡导致超声速流动偏移造成的涡诱导激波的一部分的结论。

不同顶部间隙对跨声风扇转子的影响分析

为研究跨声压气机叶尖间隙流动对性能影响的特征,数值计算了某高负荷跨声风扇转子在5种等高间隙和两种阶梯间隙结构下的性能.通过对总体性能参数和叶尖区静压、周向速度、熵等细节参数的分析,认为叶尖前段间隙流比后段间隙流对压气机性能的影响更大.其中,涡波干涉对于前段间隙流带来的危害尤为重要.比较阶梯间隙的计算结果,验证了这一推断.

含激波、旋涡和声波的复杂多尺度流动的直接数值模拟

本文主要报道了我们近年来在银河并行机上采用五阶WENO格式所做的一系列直接数值模拟研究,主要包括激波与单旋涡相互作用、激波与旋涡对相互作用、激波与三维纵向旋涡的相互作用,以及可压缩各向同性湍流。研究的主要目的是揭示激波与旋涡间相互作用中的激波动力学特性、旋涡变形、旋涡破裂和声波的产生机理,以及湍流等多尺度复杂流动的流场结构和流动机理。研究表明,高阶WE-NO格式具有很好的分辨率和稳定性,是研究上述包含强间断与复杂流场结构的流动的理想数值方法。研究发现,激波与强旋涡相互作用具有多级特征,即激波与初始旋涡的相互作用、反射激波与变形旋涡的相互作用、小激波与变形旋涡的相互作用。激波与旋涡对相互作用中产生的声波包含两个区域:线性区和非线性区。在线性区,激波与旋涡对相互作用产生的声波是激波分别与每个旋涡单独作用产生的声波的线性叠加;而在非线性区则与激波和耦合旋涡对的作用有关。在激波与纵向旋涡的相互作用过程中,发现旋涡破裂区存在多螺旋结构。在高初始湍流马赫数的各向同性湍流脉动场中,也发现了广泛报导的"小激波"的存在,这是可压缩湍流有别于不可压缩湍流的显著结构特征。

可压缩球涡和平面激波相互作用的数值研究

行进了可压缩球涡和平面激波相互作用的数值研究。一方面，用非定常Euler方程数值模拟了一种可压缩球涡的自身演化，同时，利用Rankine－Hugoniot关系，在流场中嵌入运动激波，求解了激波－球涡相干的流动过程。通过改变激波强度Ms和旋涡强度Mv，研究了激波－球涡相互作用的参数依赖关系。结果表明：对于不同的参数范围，波－涡相干的流场结构也出现几种不同的形式。其中，强激波和强涡球的相互作用会导致激波分叉和旋涡强烈畸变等复杂流动现象。

前体涡发生器对轴对称高超声速进气道激波振荡流动的影响实验

激波振荡是高超声速进气道不起动过程中常见的流动现象,会显著降低进气道气流捕获与压缩效率、产生剧烈的非定常气动力载荷而危害飞行器安全.从激波振荡的控制出发,实验研究了前体转捩带位置的涡发生器对轴对称高超声速进气道激波振荡流动的影响.分别在起动和激波振荡两种进气道流态下,选择无、0.5 mm与1 mm高度涡发生器工况进行对比研究.并采用高速纹影与壁面动态测压同步记录非定常流动特征.结果表明,1 mm高度内的涡发生器对起动状态的进气道主流流场结构、壁面压强分布影响不显著.但对于激波振荡流动,涡发生器会明显缩小外压缩面分离区运动范围,缩短振荡周期,提升振荡周期内壁面压强的时均值.涡发生器的影响程度随其高度的增大而增强,其中振荡周期从无涡发生器的4 ms缩短到1 mm高度涡发生器的3.13 ms.此外,0.5 mm高度涡发生器会使得进气道内部测点的压强振荡幅值整体下降,相比无涡发生器工况的下降幅度可达23%.流场结构与壁面压强信号的分析表明,涡流发生器主要通过其产生的流向涡影响激波振荡流动,包含流向涡对下游边界层的扰动以及流向涡与分离区的相互干扰.

基于HLLC Riemann求解器和重叠网格的三维可压缩粘性流场的计算

寻找准确捕捉激波和涡尾迹的高分辨率问题一直是计算流体力学领域具有挑战性的问题。本文基于HLLC近似Riemann求解器,发展了一种计算三维可压缩粘性跨音速流场的计算方法。采用HLLC Riemann求解器离散Reynolds平均Navier-Stoke方程的对流项,为提高精度,使用改进的五阶加权基本无振荡格式进行高阶重构。首先对三维固定翼绕流进行计算,然后结合静态重叠网格将方法成功推广到悬停旋翼绕流,并实现洞边界和人工外边界处高阶插值的直接进行。数值结果表明所发展方法能有效地捕捉激波,对桨尖涡也具有较高的分辨率。

M型截面流道对旋涡泵性能的影响分析

为了减少旋涡泵流道内部冲击损失，提升旋涡泵的性能，研究了基于面积不变理论改变旋涡泵流道截面形状的方法。采取流道形状贴合流动状态的策略，改变流道截面形状为M型，利用CFD技术对参考泵和M型截面流道的内部流动进行多工况三维数值模拟分析，对比两者之间的扬程、效率曲线，并分析流道截面的流线图。结果表明，相比矩形流道，M型截面流道在扬程和效率上均有所提升，流道内叶片出口处的乱流有所改善，M型截面流道中液流更加平滑，但是过流面积增加，摩擦损失也随之增大。

激波在异种气体中传播及诱导的剪切混合研究

利用二阶迎风TVD格式求解多组分、层流全N_S方程· 针对直通道和突扩直通道 ,研究了马赫数为 2和 4的激波在H2 和空气界面上的传播及诱导的燃料剪切混合· 计算结果表明 :( 1)直通道中 ,剪切层中的激波阵面要发生畸变 ,存在对混合起主要作用的卷吸涡 ,激波马赫数不同 ,卷吸涡结构和横向混合的尺寸也不同· 激波马赫数低 ,剪切混合效果好· ( 2 )在突扩直通道中 ,马赫数为 2和 4的激波在H2 中产生不同强度激波 ,在剪切层中都能产生顺时针、尺度较大的卷吸涡 。

超声速流动中横向射流流场的影响参数

采用高精度的WeightedENO格式 ,结合两方程湍流模型 ,准确模拟了二次射流形成的干扰流场 ,详细地描述了平板上单股射流干扰流场和喷管扩张段二次射流干扰流场中的激波、流动分离和旋涡运动 ,同实验结果进行了比较。探讨了射流 /主流总压比、射流宽度、以及射流与来流夹角对射流穿透深度、分离距离等影响 ,揭示了二次射流推力矢量控制干扰流场的控制机理。

运动激波和旋涡相互作用的实验观察

本文介绍了平面运动激波和单个旋涡二维相互作用的实验。实验在方截面激波管中进行,实验中拍摄了激波和旋涡相互作用全过程的纹影照片。实验结果发现,运动激波通过涡核时发生激烈变形并在波后流场中产生圆柱形声波。