粗糙元诱导的高超声速边界层转捩.pdf

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaAug．252016V01．37No．82454-2463ISSN1000-6893CN11—1929／Vhttp：／／hkxbbuaaedu．crlhkxb@buaa．eduCR粗糙元诱导的高超声速边界层转捩段志伟，肖志祥*清华大学航天航空学院，北京100084摘要：基于有限体积方法，直接数值模拟了高超声速边界层内不同形状粗糙元导致的强制转捩现象；为了能够深入探究强制转捩机理，解析小尺度运动，同时又能够较好地捕捉激波，采用高阶色

2、散最小耗散可调(MDCD)格式对Navier—Stokes方程组对流项进行重构。计算结果表明，数值结果与对应的实验值吻合较好；该方法能解析小尺度的流动结构以及规则结构的破碎与失稳过程，可揭示粗糙元引起的强制转捩机理，即此类强制转捩主要由粗糙元顶部的三维剪切层失稳导致。对多种粗糙元的转捩效果进行了定量研究，影响因素包括粗糙元形状、几何参数等。关键词：高超声速；粗糙元；边界层转捩；参数化影响；直接数值模拟中图分类号：V211．3文献标识码：A文章编号：1000—6893(2016)082454—10在高超声速飞

3、行器绕流中，边界层转捩是非常重要的流动现象。它主要影响飞行器的摩擦阻力、气动加热、进气道质量捕获、发动机内燃料掺混和燃烧等[1]。粗糙元可以改变边界层基本流动剖面，甚至产生较大扰动，对边界层流动的转捩产生较大影响；由于粗糙元改变了流动状态，其自身也面临比较严峻的气动热环境等。粗糙元诱导转捩的影响因素非常多，对其转捩机理与具体效果的研究尚未十分明确，是目前国际上的研究热点之一。因此本文针对粗糙元形状、几何参数等，对其诱导转捩的效果进行了定量研究。大多数情况下，粗糙元会促使转捩提前，并且随着粗糙元高度的增加，其

4、促进转捩效果会更明显。早在20世纪60年代，VanDriest等[21对粗糙元在马赫数Ma一2．71的超声速边界流动中进行了触发转捩研究，通过大量的试验数据拟合得到转捩位置与单位雷诺数的关系曲线，他们发现粗糙元存在着“临界高度”与“有效高度”。虽然该试验是在常规风洞内进行，风洞噪声比较大，所获得的转捩曲线与实际情况稍有差别，但是转捩趋势相同，该试验对后续的粗糙元研究有极大的启发意义。在近期的风洞试验中，赵慧勇等∞3也发现了粗糙元的“临界高度”和“有效高度”，有效高度大约为边界层厚度的0．7tO．8倍。粗糙元

5、高度是影响其转捩的重要因素之一。当然，马赫数、雷诺数、来流湍流度、粗糙元形状等对转捩效果也有较大影响。试验研究表明转捩雷诺数随马赫数增加而增加14j，这可能与高马赫数对剪切层的稳定作用有关。即便在粗糙元足够高时，来流湍流度对转捩效果仍然有很大影响。Casper等¨1的静音风洞试验表明，在静音条件下的转捩距离比噪声条件下增长了一倍左右。粗糙元的形状不仅影响转捩效果，同时对流场中的扰动产生、气动力热环境等也有着较大影响。理想的粗糙元应该能够很快触发转捩，并且收稿日期：2016—01—18；退修日期：2016—0

6、2—17；录用日期：2016—04-26；网络出版时间：2016—04—2915：37网络出版地址：WWWcnkinet／kcms／detail／111929V201604291537008html基金项目：国家自然科学基金(11372159)；中周博士后科学基金(2015M571029)；国家重点研发计划项目(2016YFA0401200)*通讯作者．Tel．：010—62797060E-mail：xiaotigerzhx@tsinghua．edu．cn引用格式{段志伟，诲志祥粗糙元诱导的高超声速边界层转

7、捩iJji航空学报．2016．37(8)：2454-2463iDUANZW．XlAOZxRoughnesselementmducedhypersonicboundarylayertransitionfJ]．ActaAeronauticaetAstronauticaSinica，2016，37(8)?2454-2463段志伟，等：粗糙元诱导的高超声速边界层转捩对流场的扰动要尽量小，同时自身不产生过大的阻力和热流，尤其在粗糙元上的热流不至于过大，否则易烧毁。因此，关于粗糙元形状对转捩的影响研究由来已久。一般来说

8、，对于高超声速边界层转捩，三维粗糙元效果要优于二维粗糙元[6]。对于不同形状的三维粗糙元，其有着类似的流动拓扑结构：在粗糙元上游会形成几对反转的涡，在正后方形成不稳定尾迹涡和侧边的马蹄涡(或次涡)结构[7。13I。如Danehy等uu采用一氧化氮平面激光可视技术显示了详细的尾迹涡结构随着粗糙元钝度增加，其上游分离涡与表面之间的距离也增大，转捩效果更加明显。当然综合考虑转捩效果和其对流场的影响后，斜坡形单元可能是比