跨流域跨声速平板绕流计算研究.pdf
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1、SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯科 学 研 究 2023 NO.19 SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯跨流域跨声速平板绕流计算研究姚思齐(北京航空航天大学 北京 100191)摘要:跨流域流动现象广泛存在于高超声速飞行中,为了准确预测不同流域、不同速域的流动传热特性,该文采用基于统一随机粒子方法开发的SPARTACUS求解器模拟了跨流域高超声速平板绕流。结果表明:随着马赫数增大,压缩效应导致激波厚度减小,平板表面的摩阻系数热流系数都相应的增大;随着努森数增大,分子间碰撞不充分导致更多的气体分子与壁面发生碰撞,形成了局部的高
2、温高压区域。计算得到的平板阻力系数与高超声速平板绕流阻力系数的桥函数吻合较好。关键词:跨流域 高超声速 计算模拟 粒子方法中图分类号:V411.4文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2023)19-0226-06Research on the Calculation of the Plate Flow Covering Flow Regimes and Sound VelocitiesYAO Siqi(Beihang University,Beijing,100191 China)Abstract:The phenomenon of flow over flow regimes wi
3、dely exists in hypersonic flight.In order to accurately predict the flow heat transfer characteristics of different flow regimes and velocity domains,this paper uses the developed SPARTACUS solver based on the unified stochastic particle method to simulate the hypersonic plate flow over flow regimes
4、.The results show that as Mach number increases,the compression effect leads to the decrease in the thickness of the shock wave,and both the friction coefficient and heat flow coefficient of the plate surface increase accordingly,and that as Knudsen number increases,insufficient intermolecular colli
5、sion leads to more gas molecules colliding with the wall surface,forming a local high-temperature and high-pressure region.The calculated drag coefficient of the plate is in good agreement with the bridge function of the drag coefficient of the hypersonic plate flow.Key Words:Over flow regimes;Hyper
6、sonic velocity;Computational simulation;Particle method高超声速飞行器的整个飞行阶段涉及连续流到自由分子流整个流域范围,是典型的跨流域流动问题,需要考虑局部的稀薄气体效应、可压缩效应、粘性效应和非平衡效应的共同作用。全面分析跨流域高超声速流动的特点,准确预测流动的气动力与气动热,具有重要的理论价值和实际意义1。平板绕流作为流体力学中最经典的问题之一,经常被作为理论分析的研究对象2。BIRD G3研究了Knudsen(Kn)数在 0.110 的高超声速平板的气动特性,结果表明随着Kn数减小,与平板碰撞分子增多,平板表面的剪切应力也随之增大。胡
7、远等人4结合了计算流体力学(CFD)方法和直接模拟蒙特卡洛(DSMC)方法进行模拟,研究了超声速平板绕流的全流域阻力特性。HUANG A等人5最早通过求解BGK模型方程,DOI:10.16661/ki.1672-3791.2303-5042-8990作者简介:姚思齐(1994),男,博士在读,研究方向为稀薄气体动力学。226SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯 2023 NO.19 科 学 研 究科技资讯SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION对高超声速前缘尖端的平板绕流问题进行了研究,得到了流场速度、温度、压力和密度等流场宏观量。本文采用基
8、于SPARTA平台开发的USP6-7算法的求解器SPARTACUS8,针对典型的高超声速平板绕流问题进行研究,分别以来流马赫数(Ma)和Kn数为参数,研究来流变化对流动传热的影响;并针对主要关注的平板阻力系数进行分析。1 计算参数设置平板绕流示意图如图1所示,平板的长度为0.1 m,起始位置在归一化坐标的原点处。平板的厚度为0.005 m,温度为Twall=300 K,完全漫反射边界条件。由于平板绕流问题是关于水平方向轴对称的流动,采用对称边界条件,仅考虑平板上半部分的流场。流场左侧和上方为入口,来流气体分子从左侧水平方向过来,右侧为流场出口。来流的工质为单原子气体氩气,温度为T=300 K,
9、分子碰撞模型选择变径软球模型(VSS),粘性指数()为0.81,参考直径(dref)为4.1110-10 m。笔者以Knudsen数和Mach数作为分析对象,Kn为0.02、0.2、2、20,Ma为2、5、10、20,计算流域从滑移流域到自由分子流,流速从超声速到高超声速。本文针对粒子密度较高且宏观量变化梯度较大的区域进行网格加密,从而能够实现对流动传热的准确捕捉。2 流场结果分析2.1 流场密度分布图2为流场无量纲密度数值模拟的结果。为了方便展示,这里给出了代表性的计算结果,Kn=0.02 和20,Ma=2和20。在近连续流超声速流动中,边界层的影响导致出现斜激波,从平板前缘附近向下游发展。
10、在边界层内,由于靠近壁面的连续流无滑移或滑移流域速度滑移条件,从外部无粘流动到近表面流动会出现速度和温度梯度。由于边界层内的粘性效应,流体在外部无粘流动和粘性区域之间进行质量、动量和能量的交换。当超声速来流在粘性区域内流动时,流体受到压缩,前缘产生压缩波并收敛形成激波。当超声速气流通过斜激波时,流线发生偏转,流体密度增大。激波的厚度大致相当于分子平均自由程的几倍。连续流中的激波在流场中产生不连续结构,激波前后物理量跳跃。事实上,在平均自由程的尺度内,激波中会有剧烈的质量、动量和能量的输运,尽管这个尺度对于连续流来说太小。在激波内,流体处于强非平衡状态,流体的熵会通过激波增大。激波结构内部的现象
11、需要从分子动力学理论的角度来描述。随着来流Kn数的增加,激波厚度也随之增加。在连续流中,非连续激波与边界层之间应存在无粘性区域。对于滑移流动,激波开始与整个平板上的边界层合并,变得难以区分。在自由分子流中,不存在典型的激波结构,密度通过壁面扰动(特别是来自前缘的扰动)连续变化。在近连续统区,激波沿前缘向下游的发展大致呈线性,而在自由分子流区,激波沿前缘向下游发展的区域大致呈线性,扰动影响逐渐减小,形成弧形区域。低马赫数(Ma)时,扰动集中在前缘,随着马赫图1 高超声速平板绕流示意图(a)Kn=0.02,Ma=2(c)Kn=20,Ma=2(b)Kn=0.02,Ma=20(d)Kn=20,Ma=2
12、0图2 不同参数下的平板绕流密度云图227SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯科 学 研 究 2023 NO.19 SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯数(Ma)的增加,扰动逐渐向下游和靠近壁面移动。激波强度随Kn数的增加而逐渐减弱,波后的密度变化明显减小。马赫数(Ma)可以反映流动的压缩效应强弱。对于气体的流动,可压缩性对气体的密度、温度和压力分布有显著影响。随着马赫数(Ma)的增加,激波角度减小,激波层变薄,这在滑移流区中可以明显观察到。对于自由分子流区,在马赫数(Ma)为2时,扰动主要集中在前缘,而在马赫数(Ma)为20时,
13、扰动逐渐向壁面靠近并覆盖整个平板区域。激波强度随马赫数(Ma)增大而增大,激波密度随马赫数(Ma)增大而增大。在马赫数(Ma)为2时,流场的最大密度位于激波后和前缘附近,见图2(a)。对于滑移流动,随着马赫数(Ma)的增加,最大密度位置沿激波逐渐向下游移动。这是因为随着马赫数(Ma)的增加,激波角减小,激波与边界层合并的区域变大。在合并层中,流体的密度和压力会由于边界层内质量和动量的交换而降低。对于自由分子流,随着马赫数(Ma)的增加,最大密度的位置会向壁面靠近。原因是对于高超声速流动,来流的总温度远高于300 K的壁温。由于墙体的冷却作用,密度会明显增加,并在壁面附近形成高密度区域。2.2
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