基于大涡模拟的高超声速促转捩涡流发生器研究

Large Eddy Simulation method (LES) will be used in the research of hypersonic forcing transition flows by vortex generators. A LES method will be given which would be fit for simulations for hypersonic multiscale flows as in forcing transition problems. Numerical scheme and grid distribution may be improved through experimental validations. Forcing transition mechanism will be explored by analyzing the induced flow structures by vortex generators shaped of diamond and ramp, etc. Influences of shape, size and distribution will be showed through numerical experiments which may be valuable for using and designing of vortex generators.

研究拟采用大涡模拟方法对基于涡流发生器高超声速强制转捩流动进行研究。建立一套适用于研究强制转捩这种具有多尺度结构高超声速流动的大涡模拟方法，通过实验算例验证，对数值格式及网格配置方案进行优化和完善；对钻石形、斜坡形等涡流发生器产生的强制转捩流场进行模拟，通过对流动结构的分析探索强制转捩的机理；改变涡流发生器形状、大小、分布等，通过数值模拟和对比，分析涡流发生器形状、大小、分布等对转捩位置和主要流动的影响，为涡流发生器的设计和使用提供参考。

吸气式高超声速飞行器通常巡航高度高，由于雷诺数偏低，发动机前体流动会保持过长的层流状态，流动容易在发动机前体压缩面上发生分离，不利于发动机正常启动和工作。一种改进措施是在前体边界层内布置涡流发生器强制流动转捩为湍流。为了清晰认识高速边界层强制转捩过程，了解涡流发生器诱导边界层转捩的机制，研究采用隐式大涡模拟方法，对强制转捩问题开展了数值模拟研究。.主要研究内容和重要成果有：（1）对MUSCL格式耗散和网格对计算结果的影响作了测试，研究表明过大的数值耗散会导致转捩位置后移，研究给出了合适的耗散参数取值κ=0.9，并且提供了网格密度的参考，为强制转捩的模拟提供了可靠的数值方法；（2）通过对流场中扰动的分析，探索涡流发生器诱导转捩的机理，研究发现，强制转捩由涡流发生器尾迹破碎主导，涡流发生器形成的流向涡改变了原边界层结构，形成了一些“蘑菇”形或者“钟”形结构，这些结构边缘的剪切层失稳是尾迹中扰动发展的主要源头，该失稳过程属于Kelvin-Helmholtz不稳定，尾迹失稳过程有两种基本模式，奇模式导致尾迹弯曲形式破碎，偶模式导致对称形式破碎，尾迹破碎形成的“发卡”涡结构最终促使流动转捩为湍流；（3）研究了涡流发生器高度、宽度和间距对转捩的影响，涡流发生器高度会明显影响转捩位置，高度、宽度和间距都会影响尾迹失稳的主导模式，研究还发现尾迹中奇模式扰动增长要快于偶模式。.本课题的研究，为涡流发生器诱导转捩问题的模拟提供了一种数值手段，对强制转捩问题的机理进行了解释，为涡流发生器工程设计提供了参考。