高超声速边界层转捩准则改进研究.doc

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1、CSTAM2012-B03-0207高超声速边界层转捩准则改进研究闫溟，袁湘江中国航天空气动力技术研究院第七届全国流体力学学术会议2012年11月12—14日广西·桂林Copyright©2012版权所有中国力学学会地址:北京市北四环西路15号　邮政编码:100190　Address:No.15BeisihuanxiRoad,Beijing100190高超声速边界层转捩准则改进研究闫溟*，1），袁湘江**（中国航天空气动力技术研究院，北京丰台区云岗西路17号100074）摘要针对高超声速边界层自然转捩位置预测问题，本文发展了一种新型转捩判别准则。基于目前工程上应用最广泛的转捩准则，在考

2、虑了边界层的当地特征信息的基础上，考虑来流背景湍流度对转捩的影响，将转捩雷诺数的临界值写成背景湍流度的函数，并通过一系列试验结果对函数关系式进行了标定。从而扩展了转捩准则的适用范围和合理性。关键词高超声速，边界层，转捩准则，湍流度引言边界层转捩的预测问题是一个世纪难题，相应的研究有着重要的学术意义和工程应用价值。转捩问题对高超声速飞行器尤为重要，随着近年来人们对高超声速飞行器的关注，相应的高超声速边界层转捩预测成为热点学术问题。在X-43A和X-51A的技术研究中，有关转捩位置预测研究一直是其中的核心科学问题。在美国发布的2009年度高超声速技术研究指南中，边界层转捩被列为高超声速飞行

3、器研制中的三项关键技术之一。自然转捩是高超声速飞行器边界层转捩的一种重要形式。目前对这种转捩位置的预测方法主要包括代数转捩准则法、RANS方法、e-N方法、PSE方法、LES方法、以及DNS方法等。其中后四种方法具有较强的理论依据，原则上可以很好地预测转捩现象，但在实际应用当中会遇到很多难以克服的困难。其中DNS方法和LES方法，为捕捉小尺度湍流需要精细的网格，对于复杂外形计算量将非常巨大，在工程设计当中并不适用；对于e-N方法和PSE方法，要得到准确地转捩位置需要先有非常准确地基本流场，同时需要对外部扰动的水平和形式有准确预估，这些问题都使得这两种方法无法在工程中适用。RANS方法通

4、常采用输运方程来模化转捩现象，在此过程中需要对多个模型常数进行标定，而标定依据一般是实验结果或计算经验，因此该方法并不具有普适性，而且在一定程度上将问题复杂化了。代数转捩准则法是通过比较各种转捩现象，发现规律，从中找出转捩位置取值相近的特征参数，制定转捩判据，之后利用该判据来判断类似流动的转捩位置。该方法是目前工程上预测高超边界层转捩位置最为实用的一种方式，被美国NASA研究中心和欧洲各宇航中心广泛应用，是美国研制再入式飞行器以及Hyper-X计划中预测转捩的主要手段。但是目前代数转捩准则还没有达到普适的效果，在使用时需要基于特定的试验数据对准则中的一些常数进行标定。为此本文基于转捩机

5、理，对转捩准则进行了一定改进，扩展了转捩准则的适用范围和普适性。2现有转捩准则在判定自然转捩时，目前工程上用得最多的是临界转捩雷诺数准则，通过反映边界层特征的参数ReT来判断转捩起始位置：存在某一临界值，当ReT小于这一临界值时，边界层为层流状态；相反当ReT超过这一临界值时，则认为边界层为湍流状态。大量实验结果表明这一转捩准则非常适用，RichardA.Thompson通过实验方法研究了X-33的转捩现象，分析了转捩位置的特征参量。从图2和图3中可以清楚地看到，转捩线的分布与ReT等值线的分布非常相似。存在某一临界值，当转捩雷诺数超过这一临界值时就会发生转捩。图1X-33高超飞行器外

6、形图2转捩位置与ReT的比较从以往各研究结果看，在相同实验条件下，转捩位置的ReT基本一致。但对于不同的来流，转捩位置ReT的数值并不相同，如文献[4]建议将发生转捩的临界值定为200，而文献[5]则建议定为300。也就是说该准则还与具体的实验条件具有一定的依赖性，流场环境的改变会导致判定转捩的依据发生改变，该转捩准则并不具有普适性，在应用过程中无法完全依赖该准则判定转捩。3转捩准则的改进目前人们认为自然转捩的转捩机理是：自由流当中的扰动通过感受性过程激发出边界层内的扰动，边界层当中扰动的初始幅值通常很小，在向下游的传递过程中会经历一个增长区域，当幅值增长到一定水平就会猝发转捩。因此自

7、由流中的背景扰动水平和边界层的当地特征对转捩同等重要。而前面提到的转捩准则T只考虑了边界层的当地特征，而忽略了来流的背景扰动信息，因此不同实验条件得到的临界转捩雷诺数有所不同。为了得到临界转捩雷诺数与背景湍流度的关系，本文研究了一系列超音速尖锥边界层转捩试验，这些转捩试验包含了不同的背景扰动情况。根据实验状态进行相应的流场计算，得到实验测得的转捩位置的边界层信息。通过观察转捩位置边界层特征与背景扰动水平的关系，建立二者的关联。主要选择了三组实验