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超声速边界层转捩拟序结构大涡模拟

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潘宏禄 马汉东 王强

航天空气动力技术研究院,北京100074

宇航学报
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国际标准刊号:ISSN 1000-1328
国内统一刊号:CN 11-2053

摘  要:

针对超声速边界层转捩问题,以五阶迎风和六阶对称紧致格式数值求解三维可压缩滤波Navier-Stokes方程,对马赫数4.5,雷诺数10000的空间发展超声速平板边界层的谐波扰动转捩问题进行了大涡模拟。时间推进采用紧致存储三阶Runge-Kutta方法,亚格子尺度模型为修正Smagorinsky涡粘性模型。通过入口叠加一对线性最不稳定第一模态斜波扰动的方法,得到了从线性,弱非线性扰动增长、交替A涡结构出现到演化为发卡涡的转捩过程;针对剪切层结构等现象,给出了该转捩拟序运动的详细讨论。比较显示,转捩结构及摩擦系数曲线等同理论分析吻合。[著者文摘]

引言边界层转捩是航空航天超声速/高超声速技术领域的前沿基础问题之一。高Mach数边界层转捩的认识、预测、控制对高速飞行器设计具有重要意义。在高速边界层转捩研究中,直接数值模拟和大涡模拟(Large Eddy Simulation,LES)等数值方法起着重要作用。1992年,Sandham&Kleiser?直接数值模拟确认了一种不可压槽道近壁湍流的产生机理,它主要由流向涡和分离剪切层以尺度逐渐减小直至粘性极限的链状方式组成。1996年,Adams&Kleiser 直接数值模拟了Mach数为4.5的时间发展平板边界层,证明类似的近壁湍流产生机理在较高Mach数下也是存在的。时间发展模拟需对平均流引入先验假设,忽略其非平行性,这仅适用于从线性/弱非线性相互干扰区域到转捩后期出现强非线性干扰的很短流向区域内,随即湍流开始。时间发展模拟的计算域应足够长,要包含所有重要的相互干扰模态。计算域流向周期通常由基本不稳定扰动波决定,它的选取也是先验的。若适当计及平均......

文章出处:

《宇航学报》-2006年27卷3期 -498-502页

Journal of Astronautics

栏目信息:

论文

分 类 号:

O357.5 V211.3

文献标识码:

A

文章编号:

1000-1328(2006)03-0498-05

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[参考文献]

Large Eddy Simulation of Transition Coherent Structures in a Supersonic Boundary Layer

PAN Hong-lu, MA Han-dong, WANG Qiang (China Academy of Aerospace Aerodynamics, Beijing 100074, China)

Abstract:

The spatial transition coherent structures of a supersonic flat-plate boundary layer at a free-stream Mach number 4.5 and a Reynolds number of 10000 based on free-stream velocity and inflow displacement thickness is studied through using a hybrid method of a fifth-order upwind compact difference and a sixth-order symmetric compact difference to numerically solve the three-dimensional compressible nondimensional Favre-filered Navier-Stokes equations. The compact storage third-order explicit Runge-Kutta method is applied for time-integration. The sub-grid scales are formulated according to the modified Smagorinsky eddy-viscosity model. Based on the linear stability theory, a pair of the most unstable oblique first mode disturbances is imposed on the inflow boundary. The obtained transition process is divided into several stages: the linear and weakly nonlinear growth of disturbance, the appearance of staggered A -vortex pattern, and the evolution of A -vortex into hairpin vortex. Moreover, the transition coherent motions, such as the shear layer structures, are discussed in detail. Present LES numerical results agree well with the relevant flat-plate theory.[著者文摘]

Key words:

Supersonic boundary layer; Transition; Coherent structure; Large eddy simulation

收稿日期: 2005-08-01
修订日期: 2005-10-13

基金资助:

国家安全重大基础研究(51324)

作者简介:

潘宏禄(1980-),男,流体力学专业,主要从事湍流研究.通信地址:北京云岗7201信箱16分箱(100074)电话:(010)68375013E-mail:panhonglu@sohu.com

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