高超聲速非軸對稱底部流動結構研究

《高超聲速非軸對稱底部流動結構研究》是依託中國航天空氣動力技術研究院，由陳智擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：高超聲速非軸對稱底部流動結構研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：陳智
• 依託單位：中國航天空氣動力技術研究院

項目摘要

傳統底部流動研究的主要研究對象為0度攻角的旋成體，而新型高超聲速飛行器（X-43、X-51A、HTV-2等）為非旋成體外形，且常以一定攻角飛行，因此其底部流動為典型的非軸對稱流動。對於此類流動的流動結構及影響因素尚缺乏系統性的研究。因此為建立對非軸對稱底部流場結構的系統認識，本項目提出基於高精度數值模擬方法開展非軸對稱底部流動的參數研究，從流動拓撲結構角度研究非軸對稱底部流場的流動結構。重點關注非軸對稱流場流動結構與軸對稱底部流場的區別，揭示攻角、底部形狀對非軸對稱底部流動區的波繫結構、回流區形狀、尺寸及渦脫落形式/頻率的影響規律，探尋影響底部流動結構的關鍵參數。

結題摘要

傳統底部流動結構研究多針對零攻角軸對稱體開展，因此主要聚焦於統計意義上的軸對稱底部流動，對於攻角非零或外形非軸對稱體引起的非軸對稱底部流動則關注較少。為建立對非軸對稱底部流動流場結構的系統認識，需要開展專項研究，獲得攻角、底部外形對底部流動波系、渦系特徵的影響規律。 本項研究基於數值模擬方法系統開展了高超聲速非軸對稱底部流動結構的研究。首先提出了一種適宜底部流動模擬的高精度混合方法並利用多個試驗對計算方法進行了詳細驗證。而後基於此方法開展了圓錐外形底部流動結構影響因素分析，給出了底部流動結構隨攻角、馬赫數、雷諾數的影響規律。最後通過對橢圓形、半圓形、棱形底部截面底部流動流場的分析，給出了截面形狀對底部流動結構的影響規律，獲得了對非圓截面底部外形底部流動結構的認識。 本項研究的研究結果表明，所發展的高精度混合方法給出的流動結構與試驗吻合良好，適宜底部流動結構的模擬；攻角是回流區形狀及長度的關鍵影響因素，非零攻角下回流區長度遠小於零攻角，且為非規則形狀；在大攻角條件下，前體渦與底部渦會發生相互作用，引起回流區長度隨攻角的非線性變化；零攻角條件下，橢圓形、半圓形、棱形底部外形回流區長度遠小於圓形底部外形，底部激波面呈現扁平化的二維特徵；隨著長短軸比的增加，橢圓形、棱形底部外形的激波面、渦結構的扁平化特徵更為明顯。 基於高精度數值模擬方法及合理的流動可視化手段，本項目形象化地給出了底部波系、渦繫結構隨著攻角、雷諾數、馬赫數、底部形狀的變化規律，一方面豐富了高超聲速底部流動結構的認識，另一方面也可以為航天型號的底部外形最佳化、底部部件布置提供指導。