压缩拐角激波与旁路转捩边界层干扰数值研究

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstrOnauticaSinicaDec．252016V01．37No．123588．3604ISSN1000—6893ON11—1929／Vhttp：／／hkxb．buaa．edu．cnhkxb@buaa．edu．CR压缩拐角激波与旁路转捩边界层干扰数值研究童福林1，唐志共1’*，李新亮2，吴晓军1，朱兴坤21．中国空气动力研究与发展中心计算空气动力研究所，绵阳6210002．中国科学院力学研究所高温气体动力学国家重点实验室，北京100190摘要：为了研究激波与旁路转捩边界层的干扰机理，采用直接数值模拟(DNS)方

2、法对来流马赫数Ma。。=2．9，24。压缩拐角内激波与转捩边界层的相互作用进行了系统的研究。考察了旁路转捩干扰下压缩拐角内分离区形态和激波波系结构的典型特征。比较了转捩干扰与湍流干扰流动结构的差异，并分析了造成差异的原因。研究了拐角内转捩边界层的演化特性，探讨了转捩干扰下脉动峰值压力和峰值摩阻的分布规律及形成机制。研究结果表明：相较于湍流干扰，两侧发卡涡串的展向挤压使得分离区起始点以V字型分布，且分离激波沿展向以破碎状态为主，激波脚呈现多层结构；拐角内的干扰作用急剧加速了边界层的转捩过程；转捩干扰下的拐角内峰值脉动压力以单峰结构出现在分离区的下游，同时干扰区内

3、的强湍动能和高雷诺剪切应力使得其局部峰值摩阻系数要高于湍流干扰。关键词：压缩拐角；激波／边界层干扰；旁路转捩；脉动压力；摩阻；直接数值模拟中图分类号：V211．3；0354．3文献标识码：A文章编号：1000—6893(2016)12—3588—17激波／边界层干扰是高速飞行器上普遍存在的典型流动问题，它会导致飞行器物面边界层出现大尺度非定常分离、强压力脉动以及局部干扰峰值压力和热流，严重影响飞行器的飞行安全和气动性能[1。2j。自20世纪50年代以来，大批学者对该问题进行了广泛的研究，在非定常脉动压力和热流的预测口。4]、激波／边界层干扰的控制∞1以及分离激

4、波的低频运动特性¨。73等方面都进行了详细的分析研究。但是，以往大部分的工作都是集中在激波／层流或激波／湍流干扰问题上，而对激波／转捩边界层干扰的风洞试验研究和数值模拟都相对缺乏。造成这种现象主要有两方面的历史原因，一方面是激波／转捩干扰在试验或是数值上都较难实现，风洞背景噪声、模型粗糙度等不确定因素都有可能导致边界层转捩机理发生质的改变，而在数值模拟方面，如何构造接近真实状态的转捩人口来流条件是制约激波／转捩干扰研究的主要困难；另一方面，在工程应用上曾一度认为激波／转捩干扰是激波／层流干扰和湍流干扰两类流动的中问状态，其流动结构、压力和热流分布规律等都应在两

5、者之间，因而对激波／转捩边界层干扰的独特性和重要性缺乏足够认识哺]。实际上，转捩干扰问题要比湍流干扰或是层流干扰复杂得多，如果转捩出现在边界层再附点附近，转捩与边界层分离／再附同时发生，相互影响，可能会导致转捩干扰峰值热流要远高于湍流干扰[9]。因此，深入研究激波／转捩边界层的相互作用，无论是在工程应用还是理论研究中都具有十分重要的意义。收稿El期：2016．们．13；退修El期：2016-03—14；录用日期：2016-03—17；网络出版时间：2016—03—3017：26网络出版地址：wwwcnki．net／KOMS／detail／111929V2016

6、03301726006htmI基金项目：国家自然科学基金(91441103。11372330，11472278)*通讯作者．Tel：0816-2463133E-mail：515363491@qq．com礅臻格武

7、童福棒，唐志共．李新亮．等．压缩携角激渡与旁路转捩边界层f抗数值研究[∞．航空学报。2016，37(12)：3588-3604．TONGFL，TANGZG，LIXL，eta1．Numericalstudyofshockwaveandbypasstransitionalboundarylayerinteractioninasuper-soniccompr

8、essionramp[JJActaAeronauticaetAstronauticaSinica，2016，37(12)：3588-3604．童福林，等：压缩拐角激波与旁路转捩边界层干扰数值研究目前，激波与转捩边界层干扰的研究多以风洞试验手段为主，在数值模拟方面开展的工作还相对较少。风洞试验模型以人射激波与平板边界层(或轴对称旋成体)和压缩拐角两类典型构型为主。按照转捩干扰的发生方式[1⋯，可以分为触发转捩干扰(TriggeredTransitionInteraction)和自然转捩干扰(NaturalTransitionInteraction)。对于触发转捩

9、干扰，转捩是由于激波与边界层干扰引起的