超聲速方腔流動(dòng)及控制的數(shù)值模擬.pdf

1、方腔繞流現(xiàn)象普遍存在于航空航天領(lǐng)域中，在一定流動(dòng)條件下會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)烈的壓力振蕩，對環(huán)境及腔內(nèi)裝置產(chǎn)生危害。同時(shí)，方腔流動(dòng)本身也涉及到非定常流、渦動(dòng)力學(xué)、剪切層不穩(wěn)定性等諸多流體力學(xué)前沿問題。因此，近些年來一直受到科研工作者與工程師們的關(guān)注。本文采用直接數(shù)值模擬方法對二維超聲速方腔流動(dòng)及控制進(jìn)行了研究，主要工作包括以下幾個(gè)方面:
　　(1)以長深比L/D=4的二維方腔為物理模型，通過直接數(shù)值模擬研究了低雷諾數(shù)下來流邊界層厚度與馬赫數(shù)對方

2、腔流動(dòng)的影響。結(jié)果表明:當(dāng)馬赫數(shù)固定為Ma=1.8時(shí)，隨著來流邊界層厚度的減小，方腔流動(dòng)會(huì)經(jīng)歷定常模態(tài)、單一RossiterⅡ模態(tài)、RossiterⅡ模態(tài)為主模態(tài)同時(shí)伴有RossiterⅢ模態(tài)與低頻模態(tài)、RossiterⅢ模態(tài)為主模態(tài)同時(shí)伴有RossiterⅡ模態(tài)與低頻模態(tài)的模態(tài)轉(zhuǎn)變過程，低頻模態(tài)的產(chǎn)生與剪切層渦結(jié)構(gòu)和方腔后壁拐角不同撞擊形式的切換有關(guān)。剪切模態(tài)下，方腔流動(dòng)主模態(tài)的振蕩頻率及振蕩幅值均會(huì)有所增大，其中振蕩幅值的增大源自剪

3、切層不穩(wěn)定性及其與回流區(qū)相互作用的增強(qiáng)。當(dāng)初始來流邊界層厚度固定時(shí)，隨著來流馬赫數(shù)的增大，方腔流動(dòng)會(huì)經(jīng)歷尾跡模態(tài)(來流邊界層厚度足夠小）、剪切模態(tài)、定常模態(tài)的模態(tài)轉(zhuǎn)變過程;剪切模態(tài)下，方腔流動(dòng)主模態(tài)的振蕩幅值會(huì)逐漸減小，這與剪切層不穩(wěn)定性的減弱有關(guān)。上述模態(tài)轉(zhuǎn)變過程可通過流場動(dòng)力學(xué)模態(tài)分解得到的特征模態(tài)空間結(jié)構(gòu)變化直觀體現(xiàn)出來，而且能譜(整體振蕩頻率)與監(jiān)測點(diǎn)功率譜密度分析得到的振蕩頻率也十分吻合。
　　(2)給定入口處的邊界層速

4、度型(Ma=1.8)，研究了方腔后壁拐角倒圓被動(dòng)控制及方腔前壁上游垂直流向亞聲速穩(wěn)定射流主動(dòng)控制對方腔流動(dòng)的影響。結(jié)果表明:被動(dòng)控制下，隨著倒圓半徑的增大，由于剪切層中渦與方腔后壁撞擊形式的改變，方腔流動(dòng)會(huì)經(jīng)歷RossiterⅡ模態(tài)為主模態(tài)同時(shí)伴有RossiterⅡ模態(tài)與低頻模態(tài)、RossiterⅢ模態(tài)為主模態(tài)同時(shí)伴有RossiterⅡ模態(tài)與低頻模態(tài)、單一RossiterⅢ模態(tài)的模態(tài)轉(zhuǎn)變過程;方腔振蕩幅值會(huì)逐漸減小，這是因?yàn)榧羟袑硬环€(wěn)定

5、性及其與回流區(qū)相互作用的減弱。主動(dòng)控制下，方腔剪切層被抬升以削弱剪切層與方腔后壁的撞擊作用，同時(shí)剪切層會(huì)增厚以降低對腔內(nèi)壓力擾動(dòng)的感受性，剪切層不穩(wěn)定性及其與回流區(qū)的相互作用也被削弱，從而達(dá)到抑制方腔振蕩的效果。
　　(3)針對原始變量（ρ，u，v，T）形式的二維可壓縮N-S方程，基于加權(quán)內(nèi)積形式的POD與Galerkin映射方法構(gòu)造了新的降階模型（近似全N-S方程模型），理論上可以適用于超聲速方腔流動(dòng)問題，并將其與目前常用的適用

6、于中、低馬赫數(shù)方腔繞流問題的等熵N-S方程模型進(jìn)行了對比。結(jié)果表明:對于來流邊界層相對較厚的二維超聲速方腔繞流，近似全N-S方程模型相比于等熵N-S方程模型采用較少的POD模態(tài)就可以準(zhǔn)確預(yù)測方腔流動(dòng)的主要?jiǎng)恿W(xué)行為，監(jiān)測點(diǎn)處流向速度功率譜密度給出的振蕩主頻和相應(yīng)幅值以及不同時(shí)刻瞬態(tài)流向速度分布與DNS結(jié)果的對比很好的驗(yàn)證了這一結(jié)論。對于來流邊界層相對較薄的超聲速方腔繞流，等熵N-S方程模型下POD模態(tài)系數(shù)的Runge-Kutta顯式推進(jìn)