激波-湍流边界层干扰问题的直接数值模拟

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1、天津大学硕士学位论文激激激波波波-湍湍湍流流流边边边界界界层层层干干干扰扰扰问问问题题题的的的直直直接接接数数数值值值模模模拟拟拟Directnumericalsimulationonshock-wave/turbulent-boundary-layerinteraction学科专业：流体力学研究生：叶明生指导教师：董明副教授天津大学机械工程学院2017年5月万方数据独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得天天天津津津大大大学学学或

2、其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名:签字日期:年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解天天天津津津大大大学学学有关保留、使用学位论文的规定。特授权天天天津津津大大大学学学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。(保密的学位论文在解密后适用本授权说明)学位论文作者签名:导师签名:签字日期:年月日签字日期:年月日万方数据中中中文文文摘摘摘要

3、要要激波-湍流边界层的干扰是航天航空工程中常见的流动现象，工程中常借助湍流模式对其流场进行计算。但是，Dolling(2001)与Roy&Blottne(2006)指出，传统的湍流模式在对干扰区摩阻与热流的计算中无一例外地失效。这是由于激波-湍流边界层干扰问题涉及众多复杂的物理过程，包括流动的分离与再附，激波与分离泡的低频振荡，干扰区压力梯度与湍流脉动的显著增强，以及分离区的再层流化等现象。由于这些现象背后的机理尚不清楚，因而目前对湍流模式的修正工作缺乏理论依据。本文以斜激波入射平板的模型为研究对象，采用直接数值模拟（DNS）的方法对激波与湍流边界层干扰的整个物理过程

4、进行了研究，主要得到以下结论：（1）通过与Pirzzoli&Bernardini(2011)和Morganetal.(2013)等文献结果的对比，验证了本文数值结果的可靠性。（2）通过对湍流场统计特性的分析，得到了壁面摩擦系数、压力梯度、热流通量、平均速度剖面以及雷诺应力分布等。这些数据可做为进一步湍流模式研究中的检验标准。同时，本文还分析了分离泡内的流动特征，验证了回流区内的层流化效应。（3）把Skote&Henningson(2002)基于带分离的不可压缩湍流边界层提出的壁面律推广到可压缩流动中，得到了适用于激波-湍流边界层干扰问题的平均速度的新型壁面律。该壁面律

5、在DNS数据中得到了检验。关键词：激波，湍流边界层，湍流模式，分离，层流化，壁面律I万方数据ABSTRACTShockwave-turbulentboundarylayerinteraction(SWTBLI)isacommonphe-nomenoninaeronauticalengineering,andturbulencemodelsareusuallyemployedinnumericallypredictingitsflowfield.However,aspointedoutbyDolling(2001)andconfirmedbyamorerecentcompre

6、hensiveanalysisofRoy&Blottne(2006),thecon-ventionalturbulencemodelsareallfailedinprovidingasatisfactorypredictionontheskinfrictionandtheheatfluxinthecloseneighbourhoodoftheinteractingregion.ThereasonisthattheSWTBLIprobleminvolvesacertainnumberofcomplexphysicalphe-nomena,suchastheflowsepar

7、ationandre-attachment,thelow-frequencyunsteadinessoftheshockmotionandtheseparationbubble,theenhancementofthepressuregradientandtheturbulentfluctuationintheinteractionregionandthere-laminarizationeffectsintheseparationregion.Sincethemechanismsofthesephenomenahavenotbeenwellunderst