激波-湍流边界层干扰问题的直接数值模拟

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激波-湍流边界层的干扰是航天航空工程中常见的流动现象,工程中常借助湍流模式对其流场进行计算。但是,Dolling(2001)与Roy&Blottne(2006)指出,传统的湍流模式在对干扰区摩阻与热流的计算中无一例外地失效。这是由于激波-湍流边界层干扰问题涉及众多复杂的物理过程,包括流动的分离与再附,激波与分离泡的低频振荡,干扰区压力梯度与湍流脉动的显著增强,以及分离区的再层流化等现象。由于这些现象背后的机理尚不清楚,因而目前对湍流模式的修正工作缺乏理论依据。  本文以斜激波入射平板的模型为研究对象,采用直接数值模拟(DNS)的方法对激波与湍流边界层干扰的整个物理过程进行了研究,主要得到以下结论:  (1)通过与Pirzzoli&Bernardini(2011)和Morgan et al.(2013)等文献结果的对比,验证了本文数值结果的可靠性。  (2)通过对湍流场统计特性的分析,得到了壁面摩擦系数、压力梯度、热流通量、平均速度剖面以及雷诺应力分布等。这些数据可做为进一步湍流模式研究中的检验标准。同时,本文还分析了分离泡内的流动特征,验证了回流区内的层流化效应。  (3)把Skote&Henningson(2002)基于带分离的不可压缩湍流边界层提出的壁面律推广到可压缩流动中,得到了适用于激波-湍流边界层干扰问题的平均速度的新型壁面律。该壁面律在DNS数据中得到了检验。
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