趋于临界马赫数的圆柱跨声速绕流特性分析.pdf

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaNov．252012V01．33No．111984．1992ISSN1000-6893ON11-1929／Vhttp：Hhkxb．buaa．edu．cnhkxb@buaa．edu．cn文章编号：1000—6893(2012)11—1984—09趋于临界马赫数的圆柱跨声速绕流特性分析许常悦”，赵立清，王从磊，孙建红南京航空航天大学航空宇航学院，江苏南京210016摘要：通过深化认识趋于临界马赫数Ma。，的圆柱跨声速绕流特性，明确新型飞行器增升减阻设计的空气动力学理论依据。采用

2、大涡模拟方法数值研究了来流马赫数Ma。。为0．75和0．85、雷诺数＆为2×105的圆柱跨声速绕流。结果表明：当Ma。。趋于临界马赫数(Ma。。≈0．9)时，圆柱的阻力下降且升力系数振荡被抑制；通过力的分解，得知圆柱的阻力减小来自旋涡力的影响，而非可压缩性；圆柱的阻力减小与其背压上升有关；剪切层初始阶段的对流马赫数Ma。随地。。的增加而增大，而增长率相反，这使得剪切层更为稳定、柱体背压更高。此外，由于％。。一0．85时边界层分离点处的激波和尾迹处的激波向下游推移，使得近尾迹处的湍流脉动减弱，进而导致柱体的表面压力振荡和升力系数振荡被抑制。关键词：激波

3、；圆柱；可压缩湍流；大涡模拟；亚格子模型中图分类号：V211．3文献标识码：A在圆柱可压缩绕流中存在着复杂的流动物理现象，如激波／湍流边界层相互作用、激波／尾迹相互作用以及可压缩剪切层失稳等。认识与这些现象相关的流动机理，已成为航空工业中急需解决的问题。目前，关于圆柱不可压缩绕流问题的研究较为广泛，然而有关圆柱可压缩绕流，尤其是跨声速绕流的研究则比较少。已有的一些关于圆柱跨声速绕流的实验研究L1剖主要关注阻力的测量和流动现象的展示，如Murthy等口3采用埋线法对圆柱的表面摩擦系数和涡脱泻频率进行了测量，发现当来流马赫数Ma。。>0．9时，可探测的涡

4、脱泻现象几乎消失。此外，也有一些数值方面的研究，如Miserda等[4]采用有限体积法求解了二维可压缩Navier—Stokes方程，用来研究圆柱跨声速绕流的非定常受力特征以及流动结构。文献E53和文献[6]研究了来流马赫数对圆柱跨声速绕流的影响，并分析了激波／湍流边界层相互作用、局部超声速区、小激波的产生机制以及湍流剪切层的演化。研究发现，存在一个临界马赫数％。，约为0．9，当％。。<地。。时，流动状态为非定常状态；当Ma。。>Ma。，时，流动状态则呈现准定常状态。在准定常状态下，柱体近尾迹区会出现两个较强的斜激波，并且柱体的涡脱泻现象受到明显的抑

5、制。在非定常状态中，当地。。趋于Ma。，时，流场中的激波位置向下游推迟，并出现阻力下降和表面压力振荡减小的现象¨’5j。圆柱绕流问题属于典型的钝体绕流问题，已有关于钝体绕流阻力减小机理的研究发现口。9]，钝体后的剪切层演化对其阻力的大小有着重要的影收稿日期：201I-12-07；退修日期：2012—03-20；录用日期：2012—04—05；网络出版时间：2012．04．1710：01网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／detail／11．1929．V．20120417．1001．002．htmI基金项目：国家自然科学基金(112021

6、00)；江苏省自然科学基金(BK2011723)；中国博士后科学基金(20100481141，201104567)；中央高校基本科研业务费专项资金(NS2012032)；江苏省博士后科研资助计划(0902001c)*通讯作者．Tel．：025—84896059E—mail：cyxu@nuaa．edu．cn荸{用格武

7、XuCY．ZhaoLo．WangCL，eta1．Characteristicsanalys『softhetransonicflowpastacircularcylindertowardsthecriticalMachnumber，Acta

8、AeronauticaetAstronauticaSinica。2012，33(11)：1984-1992j许常悦，赵立清．王从磊，等．趋f帷界马赫教的圆柱跨声速绕流特性分析。航空学摄。2012．33(11)：1984-1992许常悦等：趋于临界马赫数的圆柱跨声速绕流特性分析响。对于圆柱可压缩绕流而言，剪切层的演化过程受到了剪切效应和可压缩效应的双重影响。其中，可压缩性影响与剪切层的对流马赫数Ma。密切相关[1”11]。基于理想气体假设，对流马赫数定义为Ma。一(U，一U2)／(乜1+a2)，其中：U1和以1为剪切层高速流体侧的速度和声速；U。和a：

9、为低速流体侧的速度和声速。对于平面剪切层，剪切层中的大尺度结构始终与流体的不稳定性存在紧密联系，其不稳定性特