RANS∕LES在超声速突起物绕流中的应用研究

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1、航空学报ActaAeronauticaelAstronauticaSinicaJul．252013V01．34No．71531—1537ISSN1000．6893ON11．1929／Vhttp：ffhkxbbuaa．edu．cahkxb@buaaedu．caRANS／LES在超声速突起物绕流中的应用研究陈琦1’2，司芳芳2，陈坚强2一，袁先旭2，谢昱飞21．中国空气动力研究与发展中心空气动力学国家重点实验室，四川I绵阳6210002．中国空气动力研究与发展中心计算空气动力研究所，四川绵阳621000摘要：安装在超声速，／高超声速飞行器表面的突起物如

2、机翼、控制舵等通常会导致复杂的激波／边界层干扰，对突起物的局部气动特性甚至飞行器整体的气动特性产生较大的扰动。在采用计算流体力学(CFD)数值模拟此类问题时，传统的求解雷诺平均Navier—Stokes(RANS)方程方法由于不能准确预测湍流脉动流场并且精度有限，在应用上受到一定的限制。本文在研究B-L(Baldwin—I．omax)内层模型和Smagorinsky亚格子模型优缺点的基础上，提出了一种新型的RANS／LES(LargeEddySimulation)混合模型，并进行了算例验证，证实了该方法的可行性。在此基础上，对火箭表面突起物的干扰流

3、场进行了数值模拟研究，细致地刻画了突起物附近的激波／边界层干扰、剪切层失稳和底部分离涡形成的非定常过程，获得了突起物及火箭表面上的压力脉动历程并进行了频谱分析。研究发现，相对于突起物底部的非定常分离流动，突起物前缘的激波和边界层相互干扰的非定常过程是突起物周围压力脉动的主导因素，这种高频的压力脉动可能对火箭内设备的正常工作产生不利的影响。关键词：RANs／LES方法；突起物；激波／边界层干扰；超声速流动；数值模拟中图分类号：V411．4；0355文献标识码：A文章编号：10006893(2013)07—153卜07在高速飞行器表面出于各种特殊功能的

4、需要通常会安装突起的典型部件，例如机翼、控制舵以及安装在机翼上的各种挂架等。这类突起的部件破坏了原本光顺的机身或者机翼表面，导致复杂的流场干扰u]。将这类突起部件归纳为典型部件，其中之一为钝舵或圆柱外形的突起物与平板形成的复杂外形。在这类外形中，超声速流绕过平板上的钝前缘突起物，在突起物上游形成弓形脱体激波，脱体激波所引起的逆压梯度通过边界层内的亚声速区向上游传播，导致平板上的边界层分离心。3]，在分离区形成的旋涡向下游流动，对突起物的局部气动特性甚至飞行器整体的气动特性产生较大的扰动，主要表现在突起物附近的压力以及热流密度等有明显的变化。文献[4

5、]～文献[7]对这类问题进行了大量的实验研究，对安装在平板上的圆柱、方柱以及各种钝前缘舵面的干扰流场给出了较细致的描述。目前，用数值模拟方法解决此类问题的文献还比较少，同时在突起物的底部也存在着大范围的流动分离、膨胀波、再压缩激波和剪切层干扰等[8。101，其复杂程度丝毫不亚于突起物前缘的流场。对此类流场中存在着大范围分离、复杂激波／边界层干扰、激波／剪切层干扰等典型的高雷诺数和非定常湍流流动，对数值模拟方法的要求主要是精细的网格、高精度的计算格式和适用的湍流收稿日期：2012—09-07；退修日期：2012—10—15；录用日期：2012—11．

6、09；网络出版时间：2012—12—0716：37网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／detail／111929V．20121207．1637．005．hlmI基金项目：国家级项目*通讯作者．Tel：0816-2463009E-mail：jq-chen@263net礅用格式：ChenQ，SiFF。ChenJQ，etalStudyofprotuberancesinsupersonicflowwithRANS／LESmethodActaAeronauticaetAstro．nauticaSinica·2013，34(7)：1531—153

7、7．陈琦，司芳芳，睬坚强，等RANS／LES在趣声速突起物绕流中的应角研究．航空学摄．2013。34(7)：153t-15371532航空学报JuI．252013V01．34No．7模型。雷诺平均Navier—Stokes(RANS)方程由于不能准确预测湍流脉动流场，应用受到一定的限制。对于实际应用问题，在当前有限的计算资源制约下，采用RANS／I。ES(LargeEddySimula—tion)方法是一个合理并且可行的方法¨1。。本文将自主发展的一种新型RANS／LES混合方法应用于工程实际问题，研究的对象是火箭表面的突起物外形。数值模拟了突起物

8、周围的非定常干扰流场，获得了突起物及火箭表面压力脉动的频率及幅值等，并对压力脉动的来源进行了深入的分析。1数值方法本文在数