32 发卡涡的形成及其结构 - 欢迎访问南京航空航天大学学报编辑部 _发夹

可压缩平板边界层转捩的大涡模拟刘海旭（1.南京航空航天大学能源与动力学院，南京,210016；2.中国航天空气动力技术研究院，北京,100074；3.南京航空航天大学航空宇航学院，南京,210016）摘要：入口利用层流速度型叠加二维和三维Tollmien-Schliting(T-S)波，应用动态亚格子模型、预处理技术以及高精度算法，采用大涡模拟（Large-eddysimulation，LES）数值计算方法，对可压缩平板边界层空间模式的转捩机理及其拟序结构进行了研究。计算结果展示了T-S波经历线性、非线性发展阶段破碎形成发卡涡，最终演化成具有4个涡环的涡链结构的整个过程，并揭示了发卡涡涡腿并非完整对称及低速条带在涡环产生的位置不连续的现象，探讨了主流向涡与壁面相互作用诱导生成次流向涡的机理。关键词:大涡模拟；可压缩流动；边界层转捩；拟序结构；涡系演化中图分类号：V231.3文献标识码：ALargeEddySimulationBoundaryLayerTransitionoverCompressiblePlateLiuHaixu,ZhengChenwei,ChenLin,GeNing,TangDengbinPowerEngineering,NanjingUniversityAstronautics,Nanjing,210016,China;2.ChinaAcademyAerospaceAerodynamics,Beijing,100074,China;AerospaceEngineering,NanjingUniversityAstronautics,Nanjing,210016,China）AbstractinletboundarylaminarBlasiussimilaritysolutionbasicflowimposedTollmien–Schlichting(T-S)wavesdisturbances,dynamicsubgrid-scalemodel,highorderschemespreconditionedalgorithmlaminar-to-turbulenttransitionspatiallydevelopingboundarylayerLarge-eddysimulation（LES）.Simulationresultexhibitslinear,nonlineargrowthT-Swaves,hairpinvortexmultiplevortexringsfourring-likevortex,coupledcomplexejection/sweepmovementshigh/lowspeedstreaks,developmentprocessessecondarystreamwisevortexanalyzed.Keywords：Large-eddysimulation(LES);compressibleflow;boundarylayertransition;coherentstructures;evolutionvortex基金项目：收稿日期：2013-7-28修回日期：2013-9-9通信作者：**，男，博士生导师，1961年出生，E-mail:.边界层从层流到湍流的转捩问题是流体力学研究领域中一个十分重要而又非常复杂的难题。
理解边界层转捩的物理过程对研究湍流的来源有重要的意义，而转捩的预测和控制在工程上也有重大的应用价值。譬如：层流边界层的低表面摩擦系数一直是高性能飞行器设计者追求的目标，而许多研究领域中湍流边界层中的高传热率也是设计者们想要得到的。为了解释小涡无序化的过程，文献[1]最先提出了高剪切层的概念。文献[2]采用直接数值模拟精确计算了槽道内层流向湍流发展的全过程。文献[3]采用大涡模拟（Large-eddysimulation，LES）方法观察了自然转捩过程中Tollmien–Schlichting(T-S)波的增长。文献[4-7]通过直接数值模拟方法研究了边界层自然转捩过程，并对转捩晚期的涡系结构的演化进行了深入研究，发现了发卡涡、U型涡、桶型涡等多种涡结构形式，探讨了次生流向涡的生成机理。文献[8]则分析了直接数值模拟结果与实验结果之后，确定了T-S波感受性问题以及其非线性发展阶段对转捩的影响。关于平板层流转捩过程也有众多的学者进行了大量的实验研究。这些研究不仅实现了边界层流动的可视化，并且对涡系结构的空间发展进行了描述。文献[9]通过实验研究观测了三维非线性波包、发卡涡、二次涡环以及涡链的形成过程。
文献[10]实验研究发现边界层转捩晚期可以分为H型和K型两种扰动，尽管它们的涡结构有着不同的空间排列方式，但它们的涡系演化规律在转捩的后期是相似的。本文采用课题组自主开发的LES方法计算了平板从层流向湍流转捩的整个过程。进口为层流速度剖面叠加二维、三维T-S波，选用动态Smagorinsky模型，为提高计算精度，分别采用六阶对称加权基本无震荡（weightedessentiallynon-oscillatory,WENO)格式和六阶中心紧致差分格式计算对流项和黏性项。文中针对转捩后期发卡涡等涡结构的演化进行了深入的研究。控制方程控制方程为三维可压缩Navier-Stokes方程，采Favre提出的密度加权过滤方法，应用预处理技术，得到曲线坐标系下无量纲形式的LES控制方程MrRe式中：上标“—”为系统平均，“～”为细网格过滤，ReuLdiagMrMrMruuuu子黏性应力；SGS为亚格子热通量，雅克比矩阵转换矩阵为数值方法控制方程应用有限体积法进行离散，代码采用高精度格式，其中对流通量使用对称WENO格式，黏性通量的离散采用文献[11]的六阶中心紧致差分格式，时间离散使用文献[12]的具有三阶精度的总变差恒定（totalvariationdiminishing,TVD）性质的Runge-Kutta格式。

以上关于本文的内容，仅作参考！温馨提示：如遇专业性较强的问题（如：疾病、健康、理财等），还请咨询专业人士给予相关指导!

「辽宁龙网」www.liaoninglong.com小编还为您精选了以下内容，希望对您有所帮助：