细长旋成体大攻角绕流非对称性及其微型射流控制研究

论文摘要

本文通过对细长旋成体有攻角绕流流场的数值模拟,研究了细长旋成体有攻角绕流流场结构和气动力特性内在的一些规律,探讨了头部微小扰动对细长旋成体大攻角绕流的影响情况,提出了一种利用微型射流涡流器来对细长旋成体大攻角绕流非对称性进行主动控制的新方法。第一,通过对细长旋成体在不同攻角、不同自由来流马赫数条件下绕流流场结构和气动力特性的分析,获得了以下几点成果。（1）总结出细长旋成体有攻角非对称绕流流场结构和气动力特性的轴向演化规律:无论非对称性强弱,沿轴向从头部尖顶往后体,非对称绕流总是呈现为左、右两侧背涡交替从物面向上飘起、形成脱落涡、再衍生出新生背涡的流场结构,并诱导出沿轴向呈类似正弦曲线形式振荡分布的截面侧向力。（2）提出了以“旋涡分割”思想为基础的脱落涡、新生背涡形成模式。它包括两种具体方式:A方式-二次涡挤压、分割同侧背涡;B方式-低位涡挤压、分割异侧高位涡。（3）归纳出形成细长旋成体有攻角非对称绕流流场结构的脱落涡、新生背涡形成方式轴向演化的3种规律。随细长旋成体头部尖顶附近明显对称涡流态轴向区域从无到有、从小变大,沿轴向从头部尖顶往后体,脱落涡、新生背涡形成方式轴向演化过程依次呈现为:（a）x规律-由A方式逐渐过渡到B方式;（b）λ规律-首先由B方式过渡到A方式,然后再恢复到B方式;（c）μ规律-全部为B方式。其中,以x规律形成的流场结构诱导产生的非对称性最强,以λ规律形成的流场结构诱导产生的非对称性次之,以μ规律形成的流场结构诱导产生的非对称性最弱。（4）总结出细长旋成体有攻角非对称绕流流场气动力特性与背涡结构之间的相关性。沿轴向从头部尖顶往后体,截面侧向力局部极值的形成总是滞后于相应脱落涡、新生背涡的形成,截面侧向力局部极值的大小同时取决于相应脱落涡、新生背涡的形成方式和相应背涡的强度。（5）总结出攻角大小对细长旋成体亚音速绕流流场结构和气动力特性的影响情况。在非对称涡流态攻角范围内,随攻角逐渐增大,细长旋成体头部尖顶附近明显对称涡流态轴向区域逐渐缩小并最终消失,非对称涡流态轴向区域逐渐缩小,非对称涡流态轴向演化频率逐渐加快,脱落涡、新生背涡形成方式轴向演化过程依次呈现为μ规律、λ规律和x规律,绕流非对称性逐渐增强。（6）总结出自由来流马赫数对细长旋成体大攻角绕流流场结构和气动力特性的影响情况。在亚临界自由来流马赫数范围内（整个绕流流场都为亚音速流动）,随自由来流马赫数逐渐提高,脱落涡、新生背涡形成方式轴向演化过程逐渐由μ规律转变为λ规律、再转变为x规律,绕流非对称性逐渐增强;当自由来流马赫数提高到超临界区域后（绕流流场中出现超音速流动）,随自由来流马赫数继续提高,脱落涡、新生背涡形成方式轴向演化过程又逐渐由x规律转变为λ规律、再转变为μ规律,绕流非对称性逐渐减弱。第二,通过对细长旋成体在不同头部扰动条件下大攻角绕流流场结构和气动力特性的分析,系统地研究了微小扰动位置对细长旋成体大攻角绕流的影响情况。研究结果表明:（1）就微小扰动轴向位置对绕流的影响情况而言,微小扰动在头部尖顶附近存在1个临界轴向位置;（2）就微小扰动周向位置对绕流的影响情况而言,在亚音速自由来流条件下微小扰动存在2个临界周向位置,而在超音速自由来流条件下微小扰动存在4个临界周向位置。由于临界周向位置的存在,随微小扰动沿周向逐渐移动,细长旋成体大攻角亚音速绕流呈现为“单周期、连续变化”规律,而超音速绕流则呈现为“双周期、连续变化”规律。第三,基于细长旋成体大攻角绕流非对称性形成的“空间动力不稳定性”观点,分别从绕流头涡相互诱导作用平衡状态及其稳定性角度、非线性动力系统拓扑结构及其稳定性角度论述了绕流非对称性的形成过程,并指出:绕流流场中存在不稳定的单再附点流型和存在一定能级的适当扰动是绕流非对称性产生的两个基本条件。第四,通过对倾斜微型射流对平板湍流边界层作用情况的研究,证实了利用微型射流涡流器进行流动主动控制的可行性。微型射流涡流器是通过与边界层相互作用所形成的流向涡来实现对流动的主动控制的。通过对微型射流各主控参数对微型射流涡流器控制作用影响情况的分析,总结出:要实现微型射流涡流器对流动的有效控制,就必须在保证射流与边界层相互作用所形成的流向涡具备一定强度同时,还要保证流向涡在形成之初部分嵌入在边界层内部。第五,通过对对称布置于细长旋成体头部尖顶附近两侧、绕流分离线上游的微型射流对对绕流作用情况的分析,证实了利用微型射流涡流器来对绕流非对称性进行主动控制的可行性。微型射流涡流器是通过与绕流相互作用所形成的射流集中涡对绕流头涡的作用、进而改变绕流头涡在头部尖顶附近的非对称程度来实现对绕流非对称性的主动控制的。通过对射流各主控参数对控制作用影响情况的分析,总结出:要实现微型射流涡流器对绕流非对称性的有效控制,就必须保证射流与绕流相互作用所形成的射流集中涡具有一定强度、距绕流头涡较近、能在一定轴向区域内对绕流头涡产生作用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究背景和选题意义
• 1.2 相关领域国内外研究状况
• 1.2.1 对细长旋成体大攻角绕流本身特性的研究概述
• 1.2.2 对细长旋成体大攻角绕流非对称性控制技术的概述
• 1.2.3 对细长旋成体大攻角绕流研究方法的概述
• 1.2.4 对微型射流涡流器技术的概述
• 1.3 主要研究内容
• 1.3.1 研究思路和方法
• 1.3.2 主要研究内容
• 2 细长旋成体有攻角绕流流场结构和气动力特性
• 2.1 数值模拟概述
• 2.1.1 控制方程和数值离散方法
• 2.1.2 细长旋成体几何模型及其绕流流场网格布置
• 2.1.3 细长旋成体绕流流场计算边界条件、初始条件和收敛精度
• 2.1.4 细长旋成体绕流流场计算数据处理说明
• 2.1.5 数值研究结果可靠性验证
• 2.1.6 细长旋成体后体圆柱长度对数值研究结果的影响
• 2.2 细长旋成体有攻角亚音速绕流流场结构和气动力特性
• 2.2.1 细长旋成体几何模型和自由来流条件
• 2.2.2 对称涡流态
• 2.2.3 非对称涡流态
• 2.2.4 非对称涡流态中脱落涡、新生背涡的形成模式
• 2.2.5 绕流气动力特性与背涡结构的相关性
• 2.3 攻角大小对细长旋成体亚音速绕流的影响
• 2.4 自由来流马赫数对细长旋成体大攻角绕流的影响
• 2.5 本章小结
• 3 头部微小扰动对细长旋成体大攻角亚音速绕流的影响
• 3.1 细长旋成体大攻角亚音速绕流非对称性与头部微小扰动相关性
• 3.2 头部微小扰动轴向位置对绕流的影响
• 3.2.1 微小扰动临界轴向位置的存在性
• 3.2.2 微小扰动轴向位置分区及其对绕流的影响
• 3.3 头部微小扰动周向位置对绕流的影响
• 3.3.1 微小扰动临界周向位置的存在性
• 3.3.2 微小扰动周向位置分区及其对绕流的影响
• 3.4 细长旋成体大攻角亚音速绕流对称涡流态
• 3.5 本章小结
• 4 头部微小扰动对细长旋成体大攻角超音速绕流的影响
• 4.1 细长旋成体大攻角超音速绕流非对称性与头部微小扰动相关性
• 4.2 头部微小扰动轴向位置对绕流的影响
• 4.2.1 微小扰动临界轴向位置的存在性
• 4.2.2 微小扰动轴向位置分区及其对绕流的影响
• 4.3 头部微小扰动周向位置对绕流的影响
• 4.3.1 微小扰动临界周向位置的存在性
• 4.3.2 微小扰动周向位置分区及其对绕流的影响
• 4.4 细长旋成体大攻角超音速绕流对称涡流态
• 4.5 本章小结
• 5 细长旋成体大攻角绕流非对称性的形成过程
• 5.1 绕流非对称特性的形成过程
• 5.1.1 对称涡流态截面流型及其演化
• 5.1.2 对称涡流态到非对称涡流态的转变
• 5.2 绕流截面流态拓扑结构及其稳定性
• 5.2.1 拓扑结构及其稳定性基础理论
• 5.2.2 绕流截面流型拓扑结构及其稳定性分析
• 5.3 绕流主控参数对绕流非对称性形成过程的影响
• 5.3.1 攻角大小对绕流非对称性形成过程的影响
• 5.3.2 自由来流马赫数对绕流非对称性形成过程的影响
• 5.3.3 头部扰动条件对绕流非对称性形成过程的影响
• 5.4 本章小结
• 6 微型射流涡流器对流动的主动控制
• 6.1 数值模拟概述
• 6.1.1 控制方程和数值离散方法
• 6.1.2 流场几何模型、边界条件、计算网格、初始条件和收敛精度
• 6.1.3 流向壁面摩擦系数
• 6.2 倾斜微型射流与边界层的相互作用
• 6.3 数值研究结果可靠性验证
• 6.4 同/反向倾斜射流列与边界层的相互作用
• 6.5 微型射流涡流器主控参数对控制作用的影响
• 6.5.1 射流展向间距对微型射流涡流器控制作用的影响
• 6.5.2 射流速度对微型射流涡流器控制作用的影响
• 6.5.3 射流俯仰角对微型射流涡流器控制作用的影响
• 6.5.4 射流倾斜角对微型射流涡流器控制作用的影响
• 6.6 边界层逆压梯度对微型射流涡流器控制作用的影响
• 6.7 微型射流涡流器主控参数优化配置准则
• 6.8 本章小结
• 7 微型射流涡流器对细长旋成体大攻角绕流非对称性的主动控制
• 7.1 数值模拟概述
• 7.1.1 控制方程和数值离散方法
• 7.1.2 细长旋成体几何模型及其绕流流场网格布置
• 7.1.3 细长旋成体绕流流场计算边界条件、初始条件和收敛精度
• 7.1.4 数值模拟结果网格不相关性验证
• 7.1.5 微型射流涡流器主控参数配置说明
• 7.2 微型射流涡流器对细长旋成体大攻角亚音速绕流非对称性的控制
• 7.2.1 射流与细长旋成体大攻角绕流的相互作用
• 7.2.2 微型射流涡流器对细长旋成体大攻角绕流非对称性的控制作用
• 7.2.3 微型射流涡流器各主控参数对控制作用的影响
• 7.2.4 法向射流与倾斜射流对细长旋成体大攻角绕流非对称性控制作用对比
• 7.3 微型射流涡流器对细长旋成体大攻角超音速绕流非对称性的控制
• 7.3.1 射流与细长旋成体大攻角绕流的相互作用
• 7.3.2 微型射流涡流器对细长旋成体大攻角绕流非对称性的控制作用
• 7.3.3 微型射流涡流器各主控参数对控制作用的影响
• 7.3.4 法向射流对细长旋成体大攻角绕流非对称性的控制作用
• 7.4 微型射流涡流器对细长旋成体大攻角绕流升力的影响
• 7.5 微型射流涡流器对细长旋成体大攻角绕流非对称性控制机理的探讨
• 7.5.1 控制机理
• 7.5.2 射流主控参数优化配置的一般准则
• 7.5.3 射流集中涡与流向涡对比
• 7.6 本章小结
• 8 结论
• 8.1 研究工作总结
• 8.2 论文主要创新点
• 8.3 研究工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录