SA和SST湍流模型对高超声速边界层强制转捩的适应性

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1、航空学报ActaAerOnautiCaetAstronauticaSinicaMay252015V01．36No．51471—1479ISSN1000．6893CN11-1929／Vhttp：／／hkxb．buaa．edu．CNhkxb@buaa．edu．CFISA和SST湍流模型对高超声速边界层强制转捩的适应性涂国华1’2’，燕振国1，赵晓慧1’2，马燕凯1，毛枚良h31．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，绵阳6210002．中国空气动力研究与发展中心超高速空气动力研究所高超声速冲压发动机技术重点实验室，绵阳6210003．中国空气动力研究与发展中

2、心计算空气动力研究所，绵阳621000摘要：凸起物是高超声速流动中常用的一种人工转捩装置。采用高阶精度算法模拟了高超声速进气道压缩面上的强制转捩流动，转捩装置为一排高度为1mm的钻石型凸起物和斜坡型凸起物。考察了Spalart—Allmaras(SA)模型和剪切应力输运(SST)湍流模型对该问题的适应性。在考察过程中通过丰富的算例分析了网格规模、可压缩修正和空间离散格式等对计算结果的影响。在层流区，计算能与试验取得非常一致的结果。但在湍流区，计算得到的热流通常高出试验数据。经分析发现其原因是强制转捩的湍流边界层与自然转捩的湍流边界层在涡结构上存在较大差别，使得湍流模型

3、的效果较差。针对高超强制转捩湍流涡结构丰富的特点，对SST湍流模型进行了修改。计算结果表明，该修改方法对提高热流精度具有一定效果。关键词：湍流模型；边界层转捩；涡流发生器；高阶格式；可压缩修正中图分类号：V211．3；0355文献标识码：A文章编号：1000—6893(2015)05—1471—09强制转捩装置(涡流发生器／粗糙带、凸起物、拌线)是风洞试验和飞行器设计中常用的一种人工转捩装置。风洞试验由于很难实现飞行器的实际飞行雷诺数，缩比模型上自然转捩的位置通常与飞行器空中飞行的实际转捩位置不符。风洞试验常采用强制转捩装置来缩小二者之间的差异。湍流有利于防止或减小边

4、界层分离、增加高超声速进气道的流量、促进氧化剂和燃料混合等，在高超声速吸气式进气道设计中常利用凸起物来触发转捩，比如文献[1]的吸气式高超声速进气道和美国的X一43A进气道¨J。高超声速边界层强制转捩装置的有效性通常与装置高度、形状、来流参数等密切相关。其中当地边界层厚度艿与转捩装置高度h的比值k—h／3是一个非常重要的参数。Berry等[31把高度分为起始高度、临界高度和有效高度。起始高度是指转捩装置开始影响转捩的最低高度，临界高度是指使转捩位置快速前移的高度，有效高度是促使转捩起始位置提前到转捩装置位置的高度。赵慧勇等口1针对某高超冲压发动机进气道研究了钻石型转捩

5、装置高度对转捩的影响，并给出了有效高度。虽然通过强制转捩可以减小压缩拐角的分离、增加进气道的流量等，但是强制转捩也会导致许多不利影响。典型的不利影响是物面热流增收稿日期：2014—05—06；退修日期：2014-09．02；录用日期：2014—10—20；网络出版时间：2014—11—0608：42网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／detail／10．7527／S1000-6893．2014．0292．htmI基金项目：国家自然科学基金(11072259)；高超声速冲压发动机技术重点实验室开放课题*通讯作者．Tel：0816-2463223E·mail

6、：ght@skla．cardcon引用格武lTuGH．YahZG，ZhaoXH．etal．SAandSSTturbulencemodelsforhypersonicforcedboundarylayertransitionfJ]．ActaAero—nauticaetAstronauticaSinica。2015，36(5)：1471．1479。涂国华，燕振国．赵晓慧．等，sA和SST湍流模型对高超声速边界层强翩转捩的适应性[J]．航空学搬，2015，36(5)：1471—1479．航空学报May252015V01．36No．5加，另一影响是强制转捩的湍流边界层与自然转

7、捩的湍流边界层会出现较大差异，其原因是转捩装置拖曳出的流向涡对下游的强烈干扰，这势必影响边界层的涡结构、厚度、热流和摩阻等的分布。准确模拟强制转捩装置后面的流场、准确预测物面热流分布对高超声速飞行器气动设计和热防护设计具有重要意义。直接数值模拟和大涡模拟等的计算花费太大，无法用来大量产生工程设计所需要的数据。目前，高超声速湍流和转捩计算仍然以求解雷诺平均Navier—Stokes(RANS)方程为主，这势必涉及到湍流模型问题。湍流模型虽然众多，但是目前还没有一种湍流模型能在较广的范围内适合各种复杂流动。高超声速流动由于存在强可压缩性、激波／边界层干扰