高超声速非轴对称底部流动结构研究

Conventional base flow study mainly focused on axisymmetric body with 0 angle of attack, but new generation of hypersonic vehicles such as HTV-2 and X-51 are of non-axisymmetric shape and cruise with certain angle of attack, resulting in a base flow field which is non-axisymmetric in nature. The knowledge about the structure of this kind of base flow is much less than that of axisymmetric one. We propose a parameter study on the flow structure of non-axisymmetric hypersonic base flow with the aim of high order numerical scheme. The study mainly focus on the the difference between non-axisymmetric and axisymmetric flow field topology and how and in what manner the angle of attack and the base crossection shape affect the wake structure, shape/size of recirculation region and vortex shedding mode/frequency. The ultimate object is to find the key parameter that determines the flow field topology.

传统底部流动研究的主要研究对象为0度攻角的旋成体，而新型高超声速飞行器（X-43、X-51A、HTV-2等）为非旋成体外形，且常以一定攻角飞行，因此其底部流动为典型的非轴对称流动。对于此类流动的流动结构及影响因素尚缺乏系统性的研究。因此为建立对非轴对称底部流场结构的系统认识，本项目提出基于高精度数值模拟方法开展非轴对称底部流动的参数研究，从流动拓扑结构角度研究非轴对称底部流场的流动结构。重点关注非轴对称流场流动结构与轴对称底部流场的区别，揭示攻角、底部形状对非轴对称底部流动区的波系结构、回流区形状、尺寸及涡脱落形式/频率的影响规律，探寻影响底部流动结构的关键参数。

传统底部流动结构研究多针对零攻角轴对称体开展，因此主要聚焦于统计意义上的轴对称底部流动，对于攻角非零或外形非轴对称体引起的非轴对称底部流动则关注较少。为建立对非轴对称底部流动流场结构的系统认识，需要开展专项研究，获得攻角、底部外形对底部流动波系、涡系特征的影响规律。.本项研究基于数值模拟方法系统开展了高超声速非轴对称底部流动结构的研究。首先提出了一种适宜底部流动模拟的高精度混合方法并利用多个试验对计算方法进行了详细验证。而后基于此方法开展了圆锥外形底部流动结构影响因素分析，给出了底部流动结构随攻角、马赫数、雷诺数的影响规律。最后通过对椭圆形、半圆形、棱形底部截面底部流动流场的分析，给出了截面形状对底部流动结构的影响规律，获得了对非圆截面底部外形底部流动结构的认识。.本项研究的研究结果表明，所发展的高精度混合方法给出的流动结构与试验吻合良好，适宜底部流动结构的模拟；攻角是回流区形状及长度的关键影响因素，非零攻角下回流区长度远小于零攻角，且为非规则形状；在大攻角条件下，前体涡与底部涡会发生相互作用，引起回流区长度随攻角的非线性变化；零攻角条件下，椭圆形、半圆形、棱形底部外形回流区长度远小于圆形底部外形，底部激波面呈现扁平化的二维特征；随着长短轴比的增加，椭圆形、棱形底部外形的激波面、涡结构的扁平化特征更为明显。.基于高精度数值模拟方法及合理的流动可视化手段，本项目形象化地给出了底部波系、涡系结构随着攻角、雷诺数、马赫数、底部形状的变化规律，一方面丰富了高超声速底部流动结构的认识，另一方面也可以为航天型号的底部外形优化、底部部件布置提供指导。