[發(fā)明專利]一種高超聲速鈍前緣繞流湍動能入口邊界設置方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110387351.2
• 申請日: 2021-04-12
• 公開（公告）號: CN112765736B
• 公開（公告）日: 2021-06-29
• 發(fā)明（設計）人: 張毅鋒;向星皓;陳堅強;袁先旭;陳曦
• 申請（專利權）人: 中國空氣動力研究與發(fā)展中心計算空氣動力研究所
• 主分類號: G06F30/15
• 分類號: G06F30/15;G06F30/28;G06F119/10;G06F119/14
• 代理公司: 成都九鼎天元知識產權代理有限公司 51214
• 代理人: 孫杰

1.一種高超聲速鈍前緣繞流湍動能入口邊界設置方法，其特征在于，包括如下步驟：

S1，計算基礎流場，獲取定常基本流場變量；

S2，利用數(shù)值模擬系統(tǒng)進行擾動波直接模擬，獲取非定常流場變量?；

S3，分析流場得到擾動場?'，并獲取湍動能分布特征；

在步驟S3中，當擾動傳播至整個流場形成周期解后，利用步驟S2獲取的瞬時非定常流場變量?減去步驟S1獲取的定常基本流場變量得到擾動場?'，通過對脈動量的傅里葉頻譜分析，獲取流場中擾動波演化和分布規(guī)律；根據(jù)脈動速度換算湍動能k，獲取湍動能分布規(guī)律

其中，k為湍動能，u'為x向速度脈動，v'為y向速度脈動；

S4，設置湍動能入口邊界；

在步驟S4中，根據(jù)步驟S3中計算湍動能，選擇鈍前緣下游位置，沿壁面法向設置湍動能入口邊界，按照步驟S3中結果提取指定湍動能入口邊界的物理量，根據(jù)RANS和DNS計算自由流湍動能的比值線性放大指定位置處的湍動能值，并設置RANS方程中k值，將其固定，不隨流場的時間推進而改變；

其中，為流體密度，為層流粘性系數(shù)，為模型系數(shù)，為湍流粘性系數(shù)，為粘性應力，為應變率，為模型系數(shù)，為湍流耗散率，下標t表示湍流，下標j表示計算維度，下標i表示空間維度，x_j表示空間方向坐標，當j取1，2，3時，對應的x_j表示x,y,z三個空間方向坐標；

S5，計算湍流/轉捩。

2.根據(jù)權利要求1所述的一種高超聲速鈍前緣繞流湍動能入口邊界設置方法，其特征在于，在步驟S1中，建立計算域，設定邊界條件，采用數(shù)值計算平臺，利用二維Navier-Stokes方程為控制方程，展開流動計算，計算得到沒有施加擾動的基礎流場解，獲得流場空間區(qū)域的密度、速度、溫度與壓力信息。

3.根據(jù)權利要求1所述的一種高超聲速鈍前緣繞流湍動能入口邊界設置方法，其特征在于，在步驟S2中，基于步驟S1獲取的基礎流場，開展自由流擾動波的非定常傳播演化過程的直接數(shù)值模擬，獲取流場中擾動波特征及湍動能分布。

4.根據(jù)權利要求1所述的一種高超聲速鈍前緣繞流湍動能入口邊界設置方法，其特征在于，在步驟S5中，基于RANS方法結合包含湍動能的湍流模型/轉捩模型進行湍流/轉捩計算，獲得基于準確湍動能入口邊界的湍流/轉捩模型計算結果，所述計算結果包括全計算域的密度、溫度和速度流場信息，獲取擾流物體表面的Cf分布或熱流分布。

5.根據(jù)權利要求2所述的一種高超聲速鈍前緣繞流湍動能入口邊界設置方法，其特征在于，在步驟S1中，在無擾動、無體積力與外部熱源的情況下，采用的控制方程具體表示如下：

其中分別是密度、x方向速度、y方向速度、z方向速度和單位質量氣體總能量， 分別為不同方向的粘性應力分量，分別為x和y方向的熱流，為壓力，Q表示守恒變量，f和g分別表示x和y向矢通量，并采用不小于5階精度的高階精度計算格式，以及能夠分辨流場中擾動波尺度的網格，計算得到沒有施加擾動的基礎流場。

6.根據(jù)權利要求3所述的一種高超聲速鈍前緣繞流湍動能入口邊界設置方法，其特征在于，在步驟S2中，在對流場進行擾動傳播模擬時選用聲波擾動，考慮二維平面聲波：

聲波振幅滿足如下關系：

其中，無量綱波數(shù)，是一小量，為擾動波振幅參數(shù)，為擾動波無量綱圓頻率；快、慢聲波：，“+”為快聲波，“?”為慢聲波，為自由來流馬赫數(shù)；自由流聲波參數(shù)：振幅，頻率f = 100kHz；為x方向速度脈動幅值，為壓力脈動幅值，為y方向脈動幅值；

通過在計算域入口邊界引入聲波，采用非定常計算方法直接數(shù)值模擬小擾動經過激波在邊界層中引起擾動的過程。