楔形斜面微型涡流发生器激波/边界层干扰流动控制机理研究

In this project, the methodology of numerical simulation will be used to make investigations on the mechanism of the microramp vortex generator (MVG) control over shock/boundary-layer interactions. The high order finite difference scheme will be first developed and used to form research approaches of direct numerical simulation or implicitly implemented large eddy simulation (ILES); then investigations will be made on the generation of the supersonic inflow of the turbulent boundary layer, in order to efficiently and robustly get the accurate turbulent inflow. Based on the aforementioned works, massive parallel computations will be conducted on the control by MVG towards the separation bubbles induced by the incident shock / boundary-layer interaction; comparative studies will be made on differences of the control mechanism due to different inflow conditions, i.e., laminar and turbulent boundary layer. The detailed qualitative and quantitative characteristics of the MVG generated flow will be obtained by computations like aerodynamics performances, effects of control, and subtle structures like the topology of vortices; then, intensive researches will be focused on the interaction of the streamwise vortices and vortex rings. It is planned to study the dynamic model of the interaction, and the interconnections between the complex system and the flow control; the effects of the inflow conditions on the flow control will be investigated also. Furthermore, explorations will be made on the new phenomenon and its influence on the flow control.

本项目拟通过数值模拟手段，对楔形斜面微型涡流发生器（MVG）激波边界层干扰（SBLI）流动控制机理进行研究。研究首先发展、应用高精度有限差分格式，建立高精度直接数值模拟/隐式大涡模拟(ILES)的研究手段；应用和研究、发展超声速湍流边界层的生成方法，准确、有效和鲁棒地生成湍流来流。在此基础上，以入射激波与边界层干扰形成的分离泡为控制对象，通过开展MVG流动控制的、高精度大规模并行计算，比较研究MVG在不同超声速来流条件下（层流边界层和湍流边界层）的控制机理。研究先通过计算获得MVG流场的气动特性、定量控制效果、旋涡拓扑等精细结构的详细定性、定量特征，在此基础上，重点研究涡环与流向涡之间的相互作用，通过研究搞清涡环与流向涡相互作用的动力学模型，探讨复杂流动系统与流动控制之间的关系；同时研究不同来流条件对MVG流动控制的影响。更进一步，探索流场中的新现象及其对流动控制的影响。

激波/边界层干扰问题是超声速及高超声速飞行器研制中需要重点研究和控制的技术难题，如何实施有效、鲁棒的流动控制，是微型涡流发生器研究和研制的典型背景和应用需求。本研究采用直接数值模拟的方法，发展和应用高阶格式，对两类激波/边界层干扰开展了深入研究；在此基础上，开展了微型涡流发生器的数值模拟，对其流动结构与机理开展了分析。通过项目的开展，完善和发展了线性和非线性优化技术，提出了四阶精度的非线性优化差分格式WENO-OS4；针对考虑通量分裂情况下的任意线性迎风型差分格式，提出了自由流保持的完整解决方法，是对该方向取得的突破性进展；创新提出了一种基于分段多项式的映射函数方法，在保证稳定性的前提下，有效改善格式分辨率。超声速湍流边界层的生成研究方面，采用Xu&Martin和Edwards的回收-调节方法（RRM），实现了超声速湍流边界层的生成，得到定量准确的超声速湍流来流。基于前面所取得成果并开展直接数值模拟，对MVG的控制对象——激波边界层干扰问题开展了深入研究，具体包括斜坡引起的激波边界层干扰和激波平板反射干扰两类问题，在低频非定常振荡和三维分离拓扑以及激波反射的结构取得多项新结果和流动机理新认识。在MVG流动机理方面，研究了弱湍流来流条件下微型涡流发生器的流动拓扑，给出了新的旋涡模型；开展了层流和充分发展的湍流来流边界层情况下，MVG复杂流动结构及机理的直接数值模拟与分析，所开展工作是一项在准确模拟湍流多尺度结构的背景下、对MVG流动的详尽研究。在项目执行期间，在Journal of Aircraft、Communication in Computational Physics、Journal of Scientific Computing等杂志上共完成SCI期刊论文5篇，其中4篇已（在线）发表，一篇已被接收并很快在线，先后四次受邀在重要学术会议上作邀请报告，产生良好的学术和社会影响。