首页> 中文学位 >具有激波、分离和湍流的可压缩复杂流动数值模拟
【6h】

具有激波、分离和湍流的可压缩复杂流动数值模拟

代理获取

目录

声明

摘要

插图目录

表格目录

第一章绪论

1.1研究背景

1.1.2进气道/隔离段激波串振荡

1.2国内外研究进展

1.2.1激波干扰问题

1.2.2激波与边界层相互作用问题

1.2.3激波串振荡问题

1.3可压缩湍流问题数值模拟方法

1.4本文主要研究工作

第二章控制方程和数值方法

2.1大涡模拟控制方程和亚格子模型

2.1.1控制方程

2.1.2亚格子模型

2.2空间离散格式

2.2.1 Roe通量差分裂格式

2.2.2中心格式和人工粘性

2.2.3时间推进格式

第三章V形钝化前缘非定常激波干扰

3.1 引言

3.2实验设置

3.3数值模拟流程

3.4计算结果和讨论

3.4.1半径比影响

3.4.2流场特征及流场振荡

3.4.3压力振荡特性及反馈机制

3.4.4壁面压力脉动

3.4.5动力学过程以及湍流特性

3.5本章小结

第四章凸拐角附近激波与湍流边界层相互作用

4.1 引言

4.2计算描述和程序验证

4.2.1计算描述

4.2.2来流条件

4.2.3计算验证

4.3计算结果和讨论

4.3.1平均流场特征

4.3.2瞬时流场特征

4.3.3激波和分离泡非定常特性

4.3.4湍流统计特性

4.4本章小结

第五章进气道激波串非定常运动特性研究

5.1 引言

5.2 计算描述和程序验证

5.2.1计算描述

5.2.2计算验证

5.3 计算结果和讨论

5.3.1流场基本特征

5.3.2流场非定常特性

5.3.3激波串区域低频振荡机制

5.3.4湍流统计特性

5.4 本章小结

第六章工作总结和研究展望

6.1工作总结

6.2主要创新点

6.3研究展望

附录

参考文献

攻读博士学位期间的研究成果

致谢

展开▼

摘要

激波干扰和激波与湍流边界层相互作用问题的研究在工程应用和流体物理中都具有重要意义。本文采用大涡模拟方法,研究了V形钝化前缘激波干扰、凸拐角附近的激波与湍流边界层相互作用、以及高背压条件下轴对称进气道的激波串运动等非定常流动现象,主要工作和研究成果如下: (1)采用大涡模拟与激波风洞实验相结合的方法研究了来流马赫数6条件下,V形钝化前缘非定常激波干扰问题。针对V形钝化前缘的倒圆半径与钝化半径之比为3.25和1.75两种典型构型的数值计算,合理地捕捉到了激波风洞实验所观测到的主要激波干扰特征和结构。激波干扰在倒圆区产生剧烈的压力载荷。侧翼的激波干扰所产生的射流和剪切层在倒圆区驻点附近相撞,形成反向旋转涡对,并通过逆流影响上游激波结构的非定常特性。计算和实验结果均显示:倒圆区激波干扰特征呈现两种不同的运动模式:半径比3.25为“拱起-恢复”模式,半径比1.75为“摆动”模式。基于压力场的本征正交分解表明,“拱起-恢复”模式由对称模态主导,而“摆动”模式由非对称模态主导。两种运动模式下壁面脉动压力都具有宽频特性,其中在中频段存在主导频率。基于声反馈机制提出相应的反馈模型,并合理地预测了流动主导频率。壁面均方根脉动压力分布显示,透射激波与壁面相互作用会产生极强的压力脉动载荷。对倒圆区内的湍流行为的统计分析表明,由于射流碰撞和激波/逆流干扰,透射激波脚和驻点区域的湍动能以及湍动能生成项显著增强。 (2)研究了来流马赫数M∞=3,雷诺数Reθ=2070的凸拐角附近激波与湍流边界层相互作用问题。分别计算考察了尖拐角和钝拐角两种情况下,激波入射到拐角下游时的流场结构、边界层特性、分离区运动特征以及湍流统计特性。相比于钝拐角,尖拐角能够产生高度集中的顺压梯度,使得壁面摩擦系数在拐角出现峰值,导致分离点难以越过拐角向上游运动。由于分离点固定不动,分离泡的膨胀/收缩运动由再附点前后运动主导。与尖拐角不同的是,钝拐角产生的顺压梯度不足以抑制分离点运动,因此分离泡除了膨胀/收缩运动以外,还会受到上游大尺度影响。凸拐角顺压梯度能抑制近壁区小尺度结构,但在入射激波作用之后,流场脉动强度迅速提高。钝拐角壁面脉动压力分布与激波入射平板边界层流动的分布类似,而尖拐角则在拐角处出现峰值。 (3)研究了来流马赫数6条件下,出口堵塞比为0.508的轴对称进气道激波串非定常运动特性。数值模拟得到的壁面平均压力分布与实验符合良好。为了匹配出口背压,进气道在等直隔离段区域形成激波串结构,使内流道流场分为:上游超声速区域、中部激波串区域以及下游亚声速区域。其中激波串区域由于剧烈的逆压梯度,形成了分离激波、激波串、分离区以及分离剪切层等一系列复杂结构。伴随着激波串运动以及边界层大尺度分离,进气道壁面压力出现宽频脉动特征。脉动压力的Fourier模态分解和压力场本征正交分解表明,内流道脉动压力以扰动波的形式传播,以此为基础建立的声反馈模型能够较好地预测亚声速区域的主导频率。相关性分析表明,激波串运动受上下游耦合作用,其中,频率为St=0.7的运动主要受上游流动影响,而另一个频率为St=0.9的运动主要受下游压力扰动波影响。对流场脉动特性分析表明,激波串与分离区相互作用会迅速加强流场湍流强度,相应地,均方根脉动压力在激波串区域明显升高。

著录项

  • 作者

    王德鑫;

  • 作者单位

    中国科学技术大学;

  • 授予单位 中国科学技术大学;
  • 学科 流体力学
  • 授予学位 博士
  • 导师姓名 陆夕云,杨基明;
  • 年度 2018
  • 页码
  • 总页数
  • 原文格式 PDF
  • 正文语种 中文
  • 中图分类
  • 关键词

    激波; 分离; 湍流; 可压缩;

相似文献

  • 中文文献
  • 外文文献
  • 专利
代理获取

客服邮箱:kefu@zhangqiaokeyan.com

京公网安备:11010802029741号 ICP备案号:京ICP备15016152号-6 六维联合信息科技 (北京) 有限公司©版权所有
  • 客服微信

  • 服务号