[發(fā)明專利]一種高超聲速鈍前緣繞流湍動(dòng)能入口邊界設(shè)置方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110387351.2
• 申請(qǐng)日: 2021-04-12
• 公開（公告）號(hào): CN112765736B
• 公開（公告）日: 2021-06-29
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張毅鋒;向星皓;陳堅(jiān)強(qiáng);袁先旭;陳曦
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心計(jì)算空氣動(dòng)力研究所
• 主分類號(hào): G06F30/15
• 分類號(hào): G06F30/15;G06F30/28;G06F119/10;G06F119/14
• 代理公司: 成都九鼎天元知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 51214
• 代理人: 孫杰

本發(fā)明公開了一種高超聲速鈍前緣繞流湍動(dòng)能入口邊界設(shè)置方法，包括如下步驟：S1，計(jì)算基礎(chǔ)流場(chǎng)，獲取定?；玖鲌?chǎng)變量；S2，利用數(shù)值模擬系統(tǒng)進(jìn)行擾動(dòng)波直接模擬，獲取非定常流場(chǎng)變量?；S3，分析流場(chǎng)得到擾動(dòng)場(chǎng)?'，并獲取湍動(dòng)能分布特征；S4，設(shè)置湍動(dòng)能入口邊界；S5，計(jì)算湍流/轉(zhuǎn)捩等；本發(fā)明不需對(duì)湍流模型中湍動(dòng)能方程進(jìn)行修改，通過入口邊界條件的設(shè)置即可避免湍動(dòng)能方程在激波下游的計(jì)算偏差，基于直接數(shù)值模擬結(jié)果設(shè)置更加準(zhǔn)確的湍動(dòng)能入口邊界條件，具有計(jì)算結(jié)果合理、可實(shí)現(xiàn)性高的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)可靠性高，可推廣至三維流動(dòng)情況等。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及鈍前緣高超聲速流動(dòng)中邊界層內(nèi)初始擾動(dòng)幅值估算領(lǐng)域，更為具體的，涉及一種高超聲速鈍前緣繞流湍動(dòng)能入口邊界設(shè)置方法。

背景技術(shù)

湍流/轉(zhuǎn)捩是自然界廣泛存在的物理現(xiàn)象，在航空/航天領(lǐng)域有著重要的科學(xué)研究意義和工程應(yīng)用價(jià)值。在飛行器研制過程中，需要準(zhǔn)確計(jì)算邊界層湍流/轉(zhuǎn)捩發(fā)生的位置、范圍，因?yàn)橄啾葘恿鳡顟B(tài)，湍流/轉(zhuǎn)捩會(huì)對(duì)邊界層帶來較大影響，主要表現(xiàn)壁面摩阻和熱流，它們會(huì)對(duì)飛行器的氣動(dòng)特性，例如升阻比、航程、穩(wěn)定性、操控特性，以及熱防護(hù)和載荷效能等造成影響。目前關(guān)于湍流/轉(zhuǎn)捩的數(shù)值計(jì)算方法主要有直接數(shù)值模擬（DNS）、大渦模擬（LES）和雷諾平均方程（RANS）等三種方法，前兩種由于對(duì)計(jì)算網(wǎng)格要求較高，通常僅作流動(dòng)機(jī)理方面研究，基于RANS方程的方法計(jì)算量小，可快速獲得結(jié)果，具有較高工程實(shí)用價(jià)值。

目前工程實(shí)踐中常用的湍流RANS方法包括：S-A模型、模型、模型、模型、SST模型、KDO模型等。而常用的轉(zhuǎn)捩RANS方法包括：模型、模型、模型等。這些湍流/轉(zhuǎn)捩計(jì)算方法中，絕大多數(shù)都需要k方程，這是一個(gè)湍動(dòng)能方程，表征流場(chǎng)中湍流能量，在自由流中表示湍流強(qiáng)度。在流場(chǎng)數(shù)值模擬過程中，首先需要對(duì)自由流邊界（來流邊界）賦值，然后通過RANS方法中的關(guān)于k的輸運(yùn)方程計(jì)算k在流場(chǎng)中的分布，關(guān)鍵是在邊界層中的值。那么在流場(chǎng)邊界條件幅值時(shí)，就涉及k的設(shè)置方法。

目前在RANS方法計(jì)算中，在設(shè)置k的來流邊界時(shí)，一般將風(fēng)洞流場(chǎng)中自由流湍流強(qiáng)度Tu_∞%測(cè)量結(jié)果（例如脈動(dòng)速度），根據(jù)湍流動(dòng)能計(jì)算公式（式1），設(shè)為來流湍動(dòng)能，或者按照基于脈動(dòng)壓力計(jì)算的湍流強(qiáng)度等價(jià)于基于速度的湍流強(qiáng)度的原則來設(shè)置自由流湍動(dòng)能（高超聲速流動(dòng)中速度脈動(dòng)較難測(cè)量，通常采用壓力脈動(dòng)表征湍流強(qiáng)度，也成為噪聲水平，這里統(tǒng)一稱為湍流強(qiáng)度）。例如，在對(duì)常規(guī)高超噪聲風(fēng)洞中流場(chǎng)的模擬中，湍流度約為Tu_∞=1~3%，而靜音風(fēng)洞或真實(shí)飛行環(huán)境中湍流度Tu_∞0.1%。（下標(biāo)“∞”表示自由流）

（1）

對(duì)于流場(chǎng)中沒有激波的低速流動(dòng)（馬赫數(shù)小于1），可以根據(jù)風(fēng)洞湍流強(qiáng)度測(cè)量結(jié)果直接給來流邊界設(shè)置k值，因?yàn)樵谧杂闪鲄^(qū)湍流度變化不大。但是，在包含激波的高超聲速流場(chǎng)中，特別是在鈍前緣弓形激波情況下，強(qiáng)激波會(huì)顯著改變自由流湍流強(qiáng)度，而這一過程不能被現(xiàn)有RANS方程中的k方程準(zhǔn)確描述，由此會(huì)對(duì)邊界層中初始湍流動(dòng)能的評(píng)估造成較大偏差，進(jìn)而影響湍流/轉(zhuǎn)捩位置的準(zhǔn)確計(jì)算。圖1給出了Mach 6鈍平板高超聲速流場(chǎng)中RANS方程計(jì)算的湍流動(dòng)能分布和DNS計(jì)算單頻擾動(dòng)波結(jié)果的對(duì)比，云圖取值范圍以自由流湍動(dòng)能的20倍為界限?？梢钥吹?，兩種方法計(jì)算結(jié)果相差較大，與DNS相比，RANS方程過高估計(jì)了激波后大部分流場(chǎng)中的湍動(dòng)能，而低估了邊界層中的湍動(dòng)能，不能正確的反映對(duì)邊界層湍流/轉(zhuǎn)捩計(jì)算有影響的靠近壁面附近的湍動(dòng)能分布。因此，在高超聲速湍流/轉(zhuǎn)捩的RANS數(shù)值模擬中，采用自由流湍流度設(shè)置來流邊界條件的方法不再適用，不能正確估計(jì)激波后自由流湍動(dòng)能，需要新的入口邊界設(shè)置技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容