超聲速直管道內(nèi)流的大渦模擬研究.pdf

1、超聲速內(nèi)流問題在航空航天領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用背景，并在流動物理研究方面具有重要的科學(xué)意義。本文以超燃沖壓發(fā)動機的隔離段為背景，采用大渦模擬方法對幾種不同的直管道內(nèi)流問題進行了研究，包括直管道內(nèi)的正激波串問題和斜激波系問題、恒定背壓以及周期背壓作用下直管道內(nèi)的復(fù)雜流動問題。具體工作和研究成果如下:
　　(1)研究了超聲速直管道內(nèi)流問題。合理模擬了實驗中觀測到的正激波串現(xiàn)象，系統(tǒng)分析了該問題中的若干基本流動現(xiàn)象，如正激波串、激波邊界層相

2、互作用以及流場非定常特性等。流場中激波結(jié)構(gòu)和分離剪切層對湍流統(tǒng)計量具有明顯的影響。結(jié)果表明，由于激波串的存在及其非定常特征，湍流強度以及湍動能在激波位置明顯增強。同時激波的非定常振蕩會導(dǎo)致壓力脈動量的增大。對湍動能輸運方程的分析表明，激波的非定常振蕩以及分離剪切層對湍動能的生成具有明顯的促進效應(yīng)，而壓力脈動輸運方程的生成項顯示激波是壓力脈動生成的主要因素。進而研究了流場的非定常特性，通過對流場中的壓力脈動場進行本征正交分解(POD)分析

3、，發(fā)現(xiàn)流場中激波串的非定常振蕩和剪切層的失穩(wěn)脫渦是流場非定常特性的主要因素。
　　(2)研究了超聲速直管道內(nèi)復(fù)雜流動現(xiàn)象和不同壓力梯度下局部流動拓撲特性。合理地模擬了超聲速直管道內(nèi)的斜激波系，在速度梯度張量不變量空間內(nèi)系統(tǒng)地分析了局部流動拓撲在不同壓力梯度影響下的特性。在逆壓梯度區(qū)，粘性底層以不穩(wěn)定的流動拓撲為主，在順壓梯度和零壓力梯度區(qū)則以旋轉(zhuǎn)占優(yōu)的流動拓撲為主。同時對不同壓力梯度區(qū)域中耗散和擬渦能基于流動拓撲的條件平均分布進行

4、了討論，研究了不同的流動拓撲結(jié)構(gòu)及壓力梯度對耗散和擬渦能的貢獻。討論了應(yīng)變、應(yīng)變與渦量的相互作用，以及它們與局部流動拓撲結(jié)構(gòu)的關(guān)系。由于逆壓梯度的影響，平均的第二主應(yīng)變率更傾向于正值，流場中更傾向于sheet-like結(jié)構(gòu)的生成。研究表明，第二主應(yīng)變率與應(yīng)變占優(yōu)的流動拓撲密切相關(guān)。通過渦與應(yīng)變相互作用的討論發(fā)現(xiàn)，順壓梯度的存在有利于第二主應(yīng)變率與渦量的方向一致。
　　(3)研究了恒定背壓條件下超聲速直管道內(nèi)流問題。討論了高背壓引起

5、的內(nèi)部復(fù)雜流動現(xiàn)象和湍流統(tǒng)計特性，研究表明高背壓的引入會誘導(dǎo)管道內(nèi)強的壓力脈動。通過基于局部流動拓撲的分析手段，對壓力脈動的特性進行了研究，發(fā)現(xiàn)壓力脈動主要由不穩(wěn)定應(yīng)變占優(yōu)流動拓撲(UN/S/S)引起。同時，由膨脹壓縮性引入的旋轉(zhuǎn)占優(yōu)流動拓撲(SFC和UFS)對壓力脈動的產(chǎn)生也有大的貢獻，通過對應(yīng)變率張量各分量與渦量的相互作用分析發(fā)現(xiàn)，應(yīng)變對壓力脈動的貢獻更大。通過對流場中膨脹壓縮效應(yīng)對壓力脈動影響的分析發(fā)現(xiàn)，壓縮效應(yīng)對壓力脈動具有明顯

6、的促進作用，在不穩(wěn)定應(yīng)變占優(yōu)流動拓撲(UN/S/S)發(fā)生的情況下這種影響更為突出。
　　(4)研究了周期背壓條件下超聲速直管道內(nèi)流問題。考察了管道出口位置引入的周期變化背壓所導(dǎo)致的激波串、分離和分離剪切層等一系列復(fù)雜的流動現(xiàn)象，重點對不同周期背壓條件下流場結(jié)構(gòu)、湍流統(tǒng)計特性和壓力脈動特征進行了討論。低頻的背壓會造成流場中流動結(jié)構(gòu)明顯的周期性振蕩，同時上壁面的分離泡會明顯加劇，誘導(dǎo)其分離激波的振蕩。低頻背壓情況下相位平均的流動結(jié)構(gòu)在

7、不同相位具有明顯區(qū)別。由于周期背壓的引入，湍流統(tǒng)計量在流場不同位置存在明顯差異，流場結(jié)構(gòu)的非定常振蕩促進了湍流強度的增加。對流場中湍動能輸運方程的研究表明，低頻背壓對應(yīng)的輸運方程各項有明顯的增幅。對流場中的壓力脈動進行研究，研究表明低頻背壓對于壓力脈動的增加有更為明顯的影響，說明低頻背壓更有利于管道內(nèi)壓力脈動的生成。通過對壓力脈動場的POD分析發(fā)現(xiàn)，低頻背壓對應(yīng)的流場周期性更強，且主要的相干結(jié)構(gòu)分布于管道中段。高頻背壓對應(yīng)的流場周期性較