激波/边界层干扰的格子Boltzmann方法建模与数值研究

Shock/boundary layer interaction has an important impact on the aerodynamic characteristics and flight safety of the aircraft, and is a key issue that must be considered in the design of high-speed aircraft. The shock/boundary layer interaction has strong nonlinear and multi-scale features. Based on the traditional NS equation, a lot of research work has been carried out from a macro perspective. Some of the flow problems and physical mechanisms are still undecided. This project focuses on the mesoscopic lattice Boltzmann method (LBM) with multi-scale characteristics, which is expected to further reveal its flow mechanism from a mesoscopic perspective. At present, the physical and numerical applications of LBM in supersonic flow are still not mature. Therefore, the project intends to carry out LBM modeling and numerical study of shock/boundary layer interaction. First, the solving framework and equilibrium distribution function of compressible LBM are studied to develop the physical model of supersonic LBM. Then the numerical methods of solving scheme and supersonic LBM subgrid-scale model are developed. Finally, based on the above physical model and numerical method, the numerical study of shock/boundary layer interaction is carried out. The pulsating and statistical physical quantities are quantitatively described by LBM, and the flow field characteristics of separation bubble morphology and eddy structure of the interaction zone and their nonequilibrium properties are analyzed from a mesoscopic perspective, exploring the relationship between spatial separation structures and surface separation information.

激波/边界层干扰对飞行器气动特性和飞行安全有重要影响，是高速飞行器设计必须考虑的关键问题。激波/边界层干扰带有强非线性和多尺度特征，基于传统NS方程从宏观视角对其开展了大量研究工作，然而其中某些流动问题及物理机制仍未有定论。本项目聚焦具有多尺度特性的介观格子Boltzmann方法（LBM），可望从微介观角度进一步揭示其流动机理。目前LBM在超声速流的物理模型与数值应用都不成熟。因此，项目拟开展激波/边界层干扰的LBM建模与数值研究：首先，研究可压缩流求解构架与平衡态分布函数，发展超声速流LBM物理模型；随后，研究适用激波/边界层干扰的数值求解格式，建立超声速湍流LBM亚格子模型；最后，基于上述物理模型与数值方法，开展激波/边界层干扰数值研究，通过LBM定量描述其脉动与统计物理量，从微介观视角分析干扰区的分离泡形态与涡流结构流场特征及其非平衡态特性，探讨空间分离结构和表面分离信息之间的联系。

本项目构建了超声速流LBM模型，开展了非平衡效应与数值模型的研究，完成了基于LBM的激波/边界层现象流动机理研究。1）发展了基于LBM求解提取气动与热动非平衡动理学矩的研究方法，探讨非平衡动理学矩在各物理层级的物理含义。进一步，从分子运动速度分布角度分析了非平衡矩的数值大小与矢量方向所蕴含的物理信息，建立了基于气动与热动非平衡效应的介观动理学方法，进而提供研究激波/边界层现象流动机理的全新物理信息。2）以一维激波管、二维常规反射激波问题为对象，提取各阶动理学非平衡矩，重点关注激波附近的非平衡行为，探讨激波内部非平衡效应的物理含义。在斜激波的非平衡行为研究基础上，开展弯曲激波的非平衡效应研究，获得弯曲激波的非平衡行为特征。利用LBM求解带有弯曲激波的激波反射流动，对比分析激波的弯曲形状与直线形状的非平衡行为特征；此外，研究入射激波与反射激波在介观层面的非平衡行为特征；开展了粘性对非平衡效应的影响规律研究，并探讨其作用机理；初步从介观层面揭示激波的流动机理。3）针对激波/边界层现象提出了一种基于非平衡效应的湍流描述方法，利用该方法可以方便对其气动热动非平衡效应进行分析。分别开展在马赫2与马赫6来流条件下激波/边界层干扰问题中分离泡、波系结构等流动特征与机理，获得不同于传统宏观视角的激波/边界层干扰流动机理认知，讨论了边界层内部非平衡效应与能量转换之间的关系，从非平衡效应的角度阐释了激波/边界层干扰中边界层分离的流动特性和能量转换机制，以及激波和边界层之间非平衡效应的相互作用。.本项目发展了基于气动与热动非平衡效应流动特征与机理的介观研究方法，可从微介观角度获得传统宏观层面未涉及的多尺度流动机理，从而能够形成对流动机理更全面的认识，未来有望为宽速域高超声速飞行器与进气道一体化气动型面设计的理论与技术提供支撑。