基于RANS方程的多速域边界层转捩模式构造方法及应用研究

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1、学校代码１０６９９＾｜分类号Ｖ２１１密级学号２０１４１００２０９馨）Ｎ泛ＯＲＴＨＷＡ＾＾４奢ＥＳＴＥＲＮＰＯＬＹＴＥＣＨＮＩＣＡＬＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ博士学位论文題目基于ＲＡＮＳ方程的多速域边界层转捩模式构造方法及应用研究作者徐家宽学科、专业．飞行器设计指导教师白俊强申请学位曰期２０１７年６月西北工业大学博士学位论文（学位研究生）题目：基于RANS方程的多速域边界层转捩模式构造方法及应用研究作者：徐家宽学科专业：飞行器设计指导教师：白俊强2017年06月Title:ModellingMethodsand

2、ApplicationResearchofBoundaryLayerTransitioninMulti-SpeedRangebasedonRANSEquationsByXuJiakuanUndertheSupervisionofProfessorBaiJun-qiangADissertationSubmittedtoNorthwesternPolytechnicalUniversityInpartialfulfillmentoftherequirementForthedegreeofDoctorofPhilosophyXi’anP.R.ChinaJune2017摘要摘要层流减阻一

3、直都是飞行器气动设计的关键研究课题。由于影响层流-湍流边界层转捩发生的流动因素非常复杂，因此边界层转捩判定方法的研究成为热点和难点。鉴于稳定性理论难以与现代CFD（ComputionalFluidDynamics）大规模并行计算兼容，传统转捩模式又存在各种各样的缺点和不足。本文将基于雷诺平均方法框架，结合稳定性理论的分析结果，风洞实验数据以及边界层分析深入研究边界层转捩的机理，并开发适用于现代CFD大规模并行计算的边界层转捩预测方法，从而对不同速域的边界层转捩现象进行高精度数值模拟。本文的主要内容有：（1）详细分析常用的几种湍流转捩模式的建模策略和稳定性理论预测方法以及边界层相似

4、性解，总结各类转捩预测思路，提炼转捩预测方法的精华，为下文构造新型湍流转捩模式做好理论铺垫。（2）基于新的湍流度和压力梯度指示因子，提出一种新型的旁路转捩（bypass）转捩预测关系式，结合间歇因子方程构造k-ω-γ三方程湍流转捩预测模式。对零压力梯度平板、带压力梯度平板和涡轮叶栅流动的bypass转捩现象进行预测和对比分析验证，结果表明对于高湍流度环境中的亚音速边界层转捩现象预测精度较高，转捩预测模式构建正确可信。（3）以层流脉动动能为出发点，结合稳定性理论对Tollmien-Schlichting（TS）波失稳模态、横流Cross-Flow（CF）驻波失稳模态和层流分离泡模态

5、的分析结论，构建层流脉动动能输运方程预测转捩位置，并通过间歇因子输运方程描述转捩过程，形成k-ω-kL-γ四方程湍流转捩模式。选取多种二维和三维TS波主导、层流分离泡主导及横流驻波失稳主导的转捩算例进行算例验证，结果均表明该转捩模式对于低湍流度环境中亚跨声速边界层转捩现象中TS波转捩、层流分离泡转捩和横流驻波失稳转捩等转捩现象预测精度较高，转捩过程描述较好。（4）经过各类表征横流强度的特征参数的分析，选取横流位移厚度雷诺数构建输运方程。该方程使用两套试验数据做转捩双判据模式，横流雷诺数判据用在失稳起始点判断，横流位移厚度雷诺数准则判定是否触发横流不稳定性转捩。进行了无限展长后掠翼

6、、三维后掠翼和标准椭球等算例验证，结果表明新建立的转捩模式对于低湍流度环境中亚跨声速边界层横流驻波失稳转捩预测精度较高，新型转捩模式构造合理可信。（5）基于稳定性理论对可压缩边界层的第一模态和第二模态的分析结果及可压缩边界层相似性解的分析结论，构建了层流脉动粘性系数的输运方程，然后使用间歇因子输运方程来描述转捩过程。选取超声速的平板、直圆锥、裙锥以及双楔平板等算例进行转捩预测验证，均证明所构建的转捩模式对于超/高超声速边界层中的第一模态和I西北工业大学博士学位论文第二模态导致的转捩失稳现象预测合理可信，预测精度较高。关键词：边界层转捩，转捩模式，bypass转捩，Tollmien

7、-Schlichting（TS）波转捩，横流不稳定性转捩，超/高超声速边界层转捩IIAbstractAbstractLaminardragreductionhasalwaysbeenakeyresearchtopicinaircraftaerodynamicdesign.Becauseinfluencingfactorsofthelaminar-to-turbulenttransitioninboundarylayerareverycomplicated,theresearcho