讲义成果北研讲座2018part

1、高精度差分格式及高精度差分格式及 可压缩湍流数值模拟可压缩湍流数值模拟 （四）（四）李新亮李新亮中国科学院力学研究所中国科学院力学研究所商飞北研培训讲座 2018-10-10邮箱： 网盘： Part 4 激波激波-边界层干扰数值研究边界层干扰数值研究1. 背景背景2. 计算设置计算设置3. 壁温影响壁温影响4. 角度影响角度影响5. 转捩影响转捩影响6. 压缩圆角压缩圆角7. 高超算声速压缩折角高超算声速压缩折角8. 结论结论一、一、 背景背景1. 激波激波/湍流边界层干扰湍流边界层干扰 飞行器内外流动中的基本流动现象飞行器内外流动中的基本流动现象影响：影响： 流动分离流动分离 、 高热流高热

2、流/摩阻摩阻 、 激波振荡激波振荡 发现至今 70余年、 大量的理论、实验、数值研究 Dolling D S. Fifty Years of Shock-Wave/Boundary-Layer Interaction Research: What Next ? AIAA Journal, 2001, 39(8):1517-1530.2. 激波激波/边界层边界层 干扰中的热点问题干扰中的热点问题1） 激波的低频振荡现象激波的低频振荡现象争议：争议： 上游机制上游机制 vs 下游机制下游机制Clemens, N. T., and Narayanaswamy, V., “Low-Frequency

3、Unsteadiness of Shock Wave/Turbulent Boundary Layer Interactions,” Annual Review of Fluid Mechanics, Vol. 46, No. 1, 2014, pp. 469492压缩拐角壁面压力谱 (Clemens et al.,2014)高频：高频： O(d/U) ; 低频：低频： O(10100d/U) “Super-Structures”来流湍流扰动：来流湍流扰动： 湍流结构湍流结构/脉动；脉动；“Super Structures”分离泡相关：分离泡相关： 分离泡的稳定性；分离泡的稳定性； 扰动波的反

4、馈机制；扰动波的反馈机制；2） 参数影响规律参数影响规律 （重点：分离区）（重点：分离区）3） 流动控制流动控制消除分离消除分离/ 消除低频振荡消除低频振荡/消除消除高热流高热流角度、壁温角度、壁温 、 Mach数、转捩数、转捩 研究思路：研究思路： 实验实验/计算数据计算数据 + 半经验拟合半经验拟合方法： 改变外形、 壁面吹吸、 等离子体控制, 课题组课题组 2008年开始研究；年开始研究； 近近2年：年： 影响因素、影响因素、 模型及控制模型及控制 （角度、（角度、 壁温、壁温、 转捩、转捩、Mach数影响）数影响）角度影响角度影响壁温影响壁温影响转捩影响转捩影响角部曲线影响角部曲线影响

5、820二、二、 计算设置及验证计算设置及验证 自主开发的自主开发的OpenCFD-SC: 无粘项：无粘项： Steger-Warming+ WENO-SYMBO 粘性项：粘性项： 6阶中心阶中心 时间推进：时间推进： 3阶阶RK扰动源：扰动源： 上游平板处吹吸扰动上游平板处吹吸扰动 x/pw/p-10-50512345DNSExp.y/U00.50.81Exp.DNS壁面平均压力分布 角部分离区内的速度剖面 DNS 结果与实验吻合理想，验证了结果的可靠性结果与实验吻合理想，验证了结果的可靠性结果验证： Mach 2.924三、三、 壁温影响壁温影响Xingkun Zhu,

6、 Changping Yu, Fulin Tong, Xinliang Li, Numerical Study on Wall Temperature Effects on Shock Wave/Turbulent Boundary-Layer Interaction, AIAA Journal, 55(1):131-140,2017 壁温激波壁温激波/边界层干扰影响是近期的热点边界层干扰影响是近期的热点原因：原因： 风洞实验风洞实验 vs 飞行工况飞行工况/wTT不同不同了解壁温影响规律有助于由风洞实验外推飞行工况了解壁温影响规律有助于由风洞实验外推飞行工况计算工况：计算工况： 4组壁温组壁

7、温角部区域的流动角部区域的流动Tw/Tr=1.14角部区域时均流动的流线角部区域时均流动的流线 随壁温升高，分离泡变大分离泡尺度模型分离泡尺度模型:0.85/1/RewwLT1.7Rewwwwu LT1/wwT0.7wwT 与与DNS吻合较好吻合较好 （误差（误差5%）Symbols: Spaids exp. Data (20Ramp)l Xingkun Zhu, Changping Yu, Fulin Tong, Xinliang Li, AIAA Journal, 55(1):131-140,2017激波振荡特性激波振荡特性特点：特点： 不同壁温壁面压力均存在低频振荡不同壁温壁面压力均存在

8、低频振荡DMD-modesdata/snapshottemporal evolutionl Dynamic Mode Decomposition (DMD) Spanwise averaged streamwise velocity fluctuation flow field Total number of snapshot : 220discrete spectrum Time sampling : 1.5U/ Spatial range: -50mmx30mm and 0y30mm(Schmid. J Fluid Mech, 2010) amplitude/spectrumAlmost

9、all eigenvalues fall on the unit circle, indicating the nonlinear system is statistically stationary.角部流场动态特性的角部流场动态特性的DMD 分析分析 Tong Fulin, Tang Zhigong, Yu Changping, Zhu Xingkun,Li Xinliang, Journal of Turbulence 18(6):569-588, 2017高频：剪切层振荡低频：分离泡的“呼吸” Tong Fulin, Tang Zhigong, Yu Changping, Zhu Xi

10、ngkun,Li Xinliang, Journal of Turbulence 18(6):569-588, 2017四、四、 折角角度影响折角角度影响4种计算工况： 折角角度 8， 14， 20， 24 8142024 Fulin Tong , Changping Yu , Zhigong Tang , Xinliang Li， Numerical studies of shock wave interactions with a supersonic turbulent boundary layer in compression corner: Turning angle effects

11、， Computers and Fluids 149 (2017) 5669 四、四、 折角角度影响折角角度影响 平均摩阻 瞬态摩阻814 角度增加，角度增加， 分离区变大分离区变大20248 ： 平均流临界分离、平均流临界分离、 瞬态流小分离瞬态流小分离14： 平均流小分离平均流小分离20，24： 平均流大分离平均流大分离无低频振荡有低频振荡结论：结论： 临界分离临界分离/小分离情况下，小分离情况下， 无低频振荡；无低频振荡； 大分离情况下，低频振荡明显大分离情况下，低频振荡明显 Fulin Tong , Changping Yu , Zhigong Tang , Xinliang Li，

12、Computers and Fluids 149 (2017) 5669 五、五、 转捩效应对角部分离区的影响转捩效应对角部分离区的影响l童福林，李新亮，唐志共，朱兴坤，黄江涛，转捩对压缩拐角激波/边界干扰分离泡的影响，航空学报，37（10）：2909-2921,2016转捩转捩中期中期转捩峰转捩峰转捩转捩后期后期充分充分发展发展中截面的数值纹影（密度梯度）图中截面的数值纹影（密度梯度）图特点：特点： 来流为转捩中期阶段的流动时，来流为转捩中期阶段的流动时， 分离泡最小；分离泡最小； 来流为充分发展湍流时，分离泡最大来流为充分发展湍流时，分离泡最大转捩早期： 强三维结构充分发展湍流：相对均匀转

13、捩早期，转捩早期， 流动呈大尺度结构，流动抗分离能力强；流动呈大尺度结构，流动抗分离能力强；转捩后期，转捩后期， 流动破碎成小尺度结构，抗分离能力减弱流动破碎成小尺度结构，抗分离能力减弱六、六、 角部曲线影响角部曲线影响目标：目标： 尽量消除分离区尽量消除分离区手段：手段： 角部圆弧过渡角部圆弧过渡外形：外形： 用用R=97.5 mm 圆弧圆弧替代原先的折角替代原先的折角特点：特点： 保持连接处保持连接处光滑过渡光滑过渡 Tong Fulin, Li Xinliang, Duan Yanhui, Yu Changping，Direct numerical simulation of super

14、sonic turbulent boundary layer subjected to a curved compression ramp， Physics of Fluids 29， 125101 (2017)1） 压缩圆角压缩圆角数值纹影图特点：特点： 分离激波、分离激波、 激波束激波束 明显减弱明显减弱压缩圆角压缩折角壁面压力分布：壁面压力分布： 压力平台消失压力平台消失平均流无分离平均流无分离瞬态流微小分离瞬态流微小分离瞬态摩阻瞬态摩阻瞬态分离区瞬态分离区 用圆角替代折角，用圆角替代折角， 可明显消除流动分离可明显消除流动分离 Tong Fulin, Li Xinliang, Duan

15、 Yanhui, Yu Changping， Physics of Fluids 29， 125101 (2017) 2）压缩弧角）压缩弧角: 曲率、斜率连续曲率、斜率连续缓冲线缓冲线缓冲线缓冲线曲率最大曲率最大G0：压缩折角：压缩折角 G1: 压缩圆角压缩圆角斜率连续斜率连续G1G2: 压缩弧角压缩弧角四次曲线过渡四次曲线过渡斜率、曲率连续斜率、曲率连续折角折角圆角圆角弧角弧角平均分离分离间歇因子分离间歇因子瞬态分离 引入曲率、斜率均连续的弧角，引入曲率、斜率均连续的弧角， 可进一步消除瞬态分离可进一步消除瞬态分离G0G1G2类哥特涡的强度和尺寸存在差别，类哥特涡的强度和尺寸存在差别，曲率连

16、续可能起到稳定流动的作用曲率连续可能起到稳定流动的作用压缩折角压缩圆角压缩弧角Mach 6 来流，来流， 34 折角折角熵七、七、 高超声速压缩折角高超声速压缩折角E1E2E3E4 压缩性效应分析压缩性效应分析分离点角点再附点参考点lE2(分离点分离点)、 E3(角点角点) 截面截面 最高最高Mt达到达到0.9， 远高于参考截面；远高于参考截面；l分离区内，存在大范围高分离区内，存在大范围高Mt区域区域l 分离激波分离激波-再附激波干扰区存在再附激波干扰区存在Mt高达高达1.2的强压缩性区域的强压缩性区域 Mtl Turbulent Mach numberE1E2E3E4rmstuMcl 湍动

17、能分析湍动能分析production: transport: viscous diffusion: viscous dissipation: pressure dilatation: l 干扰干扰/激波区，激波区， 湍能生成项明显增强湍能生成项明显增强 ；l 干扰干扰/激波区，压力激波区，压力-膨胀项大幅增长；膨胀项大幅增长；生成项参考点参考点E2E3E4压力膨胀项参考点参考点2 ijjisxuxuD jjiijijiiidxuuxxxuuxuD22342 螺旋耗散螺旋耗散: 膨胀耗散：膨胀耗散： Solenoidal dissipationDilatational dissipation 膨

18、胀耗散效应膨胀耗散效应相差二个量级 压缩性效应主要表现为压缩性效应主要表现为 压力压力-膨胀效应，膨胀效应， 膨膨胀耗散效应可忽略胀耗散效应可忽略压力膨胀压力膨胀膨胀耗散膨胀耗散小小 结结 通过压缩折角DNS, 分析壁温、 转捩、 折角角度 、角部曲线、Mach 数效应等因素对激波边界层干扰的影响，得出如下结论： 1.1. 低频振荡的原因与分离泡的低频振荡的原因与分离泡的“呼吸呼吸”效应有关；效应有关；2.2. 相同来流情况，随着壁温增加，相同来流情况，随着壁温增加， 分离泡变大，分离泡变大， 3.3. 随着角度增加，分离泡变大；随着角度增加，分离泡变大； 弱分离情况下，低频效应不明显；弱分离情况下，低频效应不明显；4.4. 转捩效应对分离泡尺度影响明显；转捩效应对分离泡尺度影响明显；5.5. 通过角部倒圆通过角部倒圆/ /倒弧，可以有效抑制分离；倒弧，可以有效抑制分离；参考文献： Tong Fulin, Li Xinliang, Duan Yanhui, Yu Changping，Physics of Fluids 29， 125101 (2017) （压缩圆角） Tong Fulin, Tang Zhigong, Yu Changping, Zhu Xingkun,Li Xinlian