m高超聲速風(fēng)洞流場(chǎng)的數(shù)值模擬

m高超聲速風(fēng)洞流場(chǎng)的數(shù)值模擬

0結(jié)構(gòu)形式對(duì)單次散射流場(chǎng)的影響風(fēng)洞試驗(yàn)段設(shè)計(jì)的重要目標(biāo)是確保有足夠的空間分布均勻的區(qū)域，其結(jié)構(gòu)形式的選擇和設(shè)計(jì)也在一定程度上影響了風(fēng)洞場(chǎng)的質(zhì)量。試驗(yàn)段形式主要有兩類(lèi):開(kāi)口自由射流式和閉口式,其中閉口式試驗(yàn)段在幾何構(gòu)型上又分為方形和圓截面兩種。開(kāi)口自由射流式與閉口式試驗(yàn)段的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)均有各自的特點(diǎn)。開(kāi)口自由射流式試驗(yàn)段噴管與擴(kuò)壓器之間沒(méi)有任何固壁封擋,氣流在噴管出口呈自由射流狀態(tài),射流流場(chǎng)中心呈三角形的區(qū)域?yàn)楹诵膮^(qū),其大小受試驗(yàn)段環(huán)境壓力和噴管出口馬赫數(shù)或馬赫角的控制,射流核心區(qū)外為膨脹扇、攔截激波等一系列結(jié)構(gòu),與擴(kuò)壓器之間相互作用,產(chǎn)生了很強(qiáng)的激波干擾。閉口圓截面試驗(yàn)段為一段連接噴管與擴(kuò)壓器之間的圓管,氣流在進(jìn)入擴(kuò)壓器前可以沒(méi)有任何膨脹波或激波的干擾,但面臨著壁面邊界層的影響和擾動(dòng)的中心聚焦等問(wèn)題。目前,超聲速風(fēng)洞多采用閉口式試驗(yàn)段,高超聲速風(fēng)洞多采用開(kāi)口自由射流式試驗(yàn)段。但對(duì)于采用這兩種試驗(yàn)段結(jié)構(gòu)形式,會(huì)對(duì)風(fēng)洞流場(chǎng)品質(zhì)產(chǎn)生怎樣的影響尚未見(jiàn)相關(guān)詳細(xì)的研究文獻(xiàn)。中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心的Φ1m高超聲速風(fēng)洞是一座暫沖式開(kāi)口自由射流常規(guī)高超聲速風(fēng)洞,配備有馬赫數(shù)3~8六套型面噴管。噴管出口直徑均為Φ1m,共用一個(gè)3m見(jiàn)方試驗(yàn)段。當(dāng)風(fēng)洞運(yùn)行在馬赫數(shù)3和4兩個(gè)狀態(tài)時(shí),流場(chǎng)均勻區(qū)直徑大小沿風(fēng)洞軸線迅速減小,距噴管出口700mm截面處僅有Φ500mm左右,導(dǎo)致可試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷某叽巛^更高馬赫數(shù)運(yùn)行情況下大為減小,使風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)芰κ艿捷^大限制,無(wú)法滿(mǎn)足一些飛行器對(duì)試驗(yàn)的需求。因此,需要研究有效的途徑來(lái)增大這兩個(gè)馬赫數(shù)狀態(tài)下的試驗(yàn)段流場(chǎng)均勻區(qū)尺寸,同時(shí)保證流場(chǎng)品質(zhì),以提高風(fēng)洞的試驗(yàn)?zāi)芰?。另?也探索一下這些途徑在高超聲速情況下是否適用。本文數(shù)值模擬了Φ1m高超聲速風(fēng)洞馬赫數(shù)3和6狀態(tài)下的流場(chǎng),計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)基本一致,驗(yàn)證了所用數(shù)值方法的可信性。在此基礎(chǔ)上,對(duì)閉口等直圓截面和開(kāi)口自由射流兩種試驗(yàn)段結(jié)構(gòu)形式的超聲速/高超聲速風(fēng)洞在起動(dòng)條件下的穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)進(jìn)行研究,對(duì)比了兩種試驗(yàn)段結(jié)構(gòu)形式對(duì)風(fēng)洞流場(chǎng)性能的影響。1各截面馬赫數(shù)均方根偏差計(jì)算分析利用計(jì)算流體力學(xué)軟件FASTRAN對(duì)Φ1m高超聲速風(fēng)洞噴管及試驗(yàn)段流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬:采用有限體積法求解軸對(duì)稱(chēng)N-S方程,求解器選擇Roe格式,限制器采用OsherCharavarthy;時(shí)間格式采用全隱式雅可比迭代;湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型。為了驗(yàn)證所采用的數(shù)值模擬方法計(jì)算的有效性,以馬赫數(shù)3、6兩副噴管各自某一典型風(fēng)洞起動(dòng)穩(wěn)定流場(chǎng)狀態(tài)作為計(jì)算點(diǎn),獲得了試驗(yàn)段內(nèi)流場(chǎng)的速度場(chǎng)性能指標(biāo)和均勻區(qū)(本文表示噴管出口附近流場(chǎng)速度場(chǎng)參數(shù),如馬赫數(shù)均方根偏差、最大馬赫數(shù)偏差等滿(mǎn)足相關(guān)風(fēng)洞規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)要求)尺寸,并將計(jì)算數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果如表1所示。從表1可以看出兩副噴管軸向各截面的流場(chǎng)均勻區(qū)內(nèi)的速度場(chǎng)性能指標(biāo)計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果非常接近。對(duì)于馬赫數(shù)3噴管,計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果的軸向各截面馬赫數(shù)均方根偏差基本都保持在10-3量級(jí);對(duì)于軸向各截面平均馬赫數(shù),計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果只差1%左右,軸向馬赫數(shù)梯度相差約6.55%。對(duì)于馬赫數(shù)6噴管,計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果的軸向各截面馬赫數(shù)均方根偏差基本都保持在10-2量級(jí);軸向各截面平均馬赫數(shù)的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的差異基本在0.5%之內(nèi),軸向馬赫數(shù)梯度相差約16%。對(duì)于均勻區(qū)尺寸,馬赫數(shù)3噴管流場(chǎng)校測(cè)結(jié)果在-300mm、-150mm和0mm3個(gè)截面保持在Φ800mm,計(jì)算結(jié)果為Φ900mm以上,但需要注意的是,試驗(yàn)所使用的皮托耙最大測(cè)量范圍為Φ800mm,沒(méi)有更大區(qū)域數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確對(duì)比。700mm及900mm兩個(gè)截面計(jì)算結(jié)果較試驗(yàn)結(jié)果小很多,主要是由于計(jì)算時(shí)中心軸線附近的網(wǎng)格間距較大引起的。馬赫數(shù)6噴管流場(chǎng)校測(cè)結(jié)果在-300mm、-150mm、0mm和300mm4個(gè)截面保持在Φ800mm,直到1000mm截面還保持在Φ500mm以上,也表明馬赫數(shù)越高射流核心區(qū)的尺寸越大。上述分析表明,計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相比存在一定的差異,但是兩者均符合風(fēng)洞相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范要求,這種差異不會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤的結(jié)論。此外,計(jì)算采用的完全是一種理想的狀態(tài),而事實(shí)上噴管型面的加工存在誤差、高馬赫數(shù)時(shí)噴管壁面存在傳熱以及風(fēng)洞的總溫和總壓調(diào)節(jié)存在偏差等等,這些因素均會(huì)造成計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果的差異。因此,本文利用FASTRAN軟件,用于模擬高超聲速風(fēng)洞噴管及試驗(yàn)段區(qū)域內(nèi)的穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)方法可行,可以用于試驗(yàn)段流場(chǎng)的對(duì)比研究。2網(wǎng)格、邊界條件開(kāi)口自由射流試驗(yàn)段計(jì)算模型取風(fēng)洞真實(shí)幾何構(gòu)型。計(jì)算的是風(fēng)洞穩(wěn)態(tài)流場(chǎng),為簡(jiǎn)化計(jì)算的難度,擴(kuò)壓器僅取位于試驗(yàn)段內(nèi)一段,不會(huì)對(duì)計(jì)算結(jié)果造成太大影響。閉口試驗(yàn)段計(jì)算模型為噴管出口直接接一段等直徑圓筒,整個(gè)長(zhǎng)度與開(kāi)口試驗(yàn)段計(jì)算模型的長(zhǎng)度一致。計(jì)算采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格(如圖1,馬赫數(shù)6噴管),在壁面附近進(jìn)行了加密處理。開(kāi)口自由射流試驗(yàn)段采用分區(qū)網(wǎng)格:馬赫數(shù)3、6噴管網(wǎng)格點(diǎn)分別為67760個(gè)和51830個(gè);閉口等直圓截面試驗(yàn)段采用單區(qū)網(wǎng)格:馬赫數(shù)3、6噴管網(wǎng)格點(diǎn)分別為39680個(gè)和26341個(gè)。計(jì)算的邊界條件:噴管入口為固定壓力、溫度入口條件;擴(kuò)壓器出口或圓截面試驗(yàn)段出口采用原始變量外插,壁面為無(wú)滑移、等溫壁(TW=300K)條件。計(jì)算滯止條件:馬赫數(shù)3噴管p0=1.5×105Pa,T0=288.0K;馬赫數(shù)6噴管p0=20.0×105Pa,T0=560.0K。3計(jì)算結(jié)果和分析3.1流場(chǎng)均勻區(qū)范圍兩種試驗(yàn)段流場(chǎng)性能指標(biāo)計(jì)算結(jié)果如表2所示?？梢钥闯?兩種試驗(yàn)段流場(chǎng)均勻區(qū)內(nèi)的速度場(chǎng)性能指標(biāo)(馬赫數(shù)均方根偏差σM、最大馬赫數(shù)偏差ΔMamax)均優(yōu)于高速風(fēng)洞流場(chǎng)性能合格指標(biāo)。兩種試驗(yàn)段的各截面平均馬赫數(shù)沿風(fēng)洞軸線趨勢(shì)相反,開(kāi)口試驗(yàn)段呈略為增大趨勢(shì),而閉口試驗(yàn)段呈略為減小趨勢(shì),二者的軸向馬赫數(shù)梯度也印證其趨勢(shì)的變化,這個(gè)現(xiàn)象真實(shí)地反映了射流流場(chǎng)和等截面管流流場(chǎng)各自的流場(chǎng)特性。閉口試驗(yàn)段的均勻區(qū)尺寸較開(kāi)口試驗(yàn)段顯著增大,直到900mm截面還達(dá)到了Φ882mm,均勻區(qū)面積增加了約31.57%。兩種試驗(yàn)段結(jié)構(gòu)形式各自流場(chǎng)的馬赫數(shù)等值線云圖計(jì)算結(jié)果如圖2所示。開(kāi)口自由射流試驗(yàn)段(圖2a)噴管出口處的三角形核心區(qū)流場(chǎng)相對(duì)均勻,其后為膨脹扇區(qū),射流流場(chǎng)外部的弓形激波與擴(kuò)壓器入口處壁面相交,發(fā)生了溢流和反射,形成了較強(qiáng)的反射激波會(huì)聚于風(fēng)洞軸線;閉口試驗(yàn)段(圖2b)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,壁面邊界層沿風(fēng)洞軸線方向不斷增厚,在噴管出口后產(chǎn)生了微弱的壓縮,并在風(fēng)洞軸線會(huì)聚,使得在300mm截面以后閉口試驗(yàn)段的馬赫數(shù)均方根偏差較開(kāi)口試驗(yàn)段下降了一個(gè)量級(jí)。兩種試驗(yàn)段軸向不同截面馬赫數(shù)沿徑向分布曲線計(jì)算結(jié)果如圖3所示。在-300mm~0mm截面,二者均勻區(qū)內(nèi)的馬赫數(shù)分布基本一致,表2中的均勻區(qū)平均馬赫數(shù)珨M分布也說(shuō)明了這一點(diǎn);在300mm截面以后,開(kāi)口自由射流試驗(yàn)段流場(chǎng)均勻區(qū)迅速減小,并且兩側(cè)處的馬赫數(shù)增大,主要是由于這些點(diǎn)位于射流的膨脹扇區(qū),印證了圖2a中的等馬赫數(shù)云圖結(jié)果。兩種試驗(yàn)段均勻區(qū)范圍計(jì)算結(jié)果如圖4所示。開(kāi)口自由射流試驗(yàn)段流場(chǎng)均勻區(qū)直徑在0mm截面(表示噴管出口截面)以后迅速減小;而閉口等直圓截面試驗(yàn)段流場(chǎng)均勻區(qū)直徑僅有很小的縮減,這主要是由于邊界層沿軸向的增厚引起的。以上計(jì)算結(jié)果表明:在馬赫數(shù)3條件下,采用閉口等直圓截面試驗(yàn)段對(duì)于有效增大流場(chǎng)均勻區(qū)尺寸效果明顯,達(dá)到Φ882.0mm以上,均勻區(qū)的速度場(chǎng)性能指標(biāo)達(dá)到并優(yōu)于高速風(fēng)洞流場(chǎng)性能合格指標(biāo),但壁面邊界層會(huì)沿著風(fēng)洞軸線不斷增厚,對(duì)流場(chǎng)的品質(zhì)產(chǎn)生一定的負(fù)面影響,在風(fēng)洞設(shè)計(jì)過(guò)程中可以通過(guò)壁面的擴(kuò)張予以修正。綜合考慮以上兩方面結(jié)果,單就便捷而有效地?cái)U(kuò)大試驗(yàn)段流場(chǎng)均勻區(qū)范圍方面,采用閉口試驗(yàn)段對(duì)于提升風(fēng)洞的試驗(yàn)?zāi)芰哂休^大意義。例如,一個(gè)半錐角10°、長(zhǎng)1000mm、底部直徑Φ150mm的錐柱模型,在迎角10°、馬赫數(shù)3條件下,采用開(kāi)口自由射流試驗(yàn)段,可試驗(yàn)的模型長(zhǎng)度約為760mm左右(模型頭部伸入噴管內(nèi)300mm,不考慮噴管壁面邊界層厚度影響);采用閉口試驗(yàn)段,可試驗(yàn)的模型長(zhǎng)度約為1000mm左右。但是也應(yīng)當(dāng)注意到,在采用閉口試驗(yàn)段時(shí),在低馬赫數(shù)時(shí)模型頭部激波角較大,經(jīng)固壁邊界層反射后打在模型上的問(wèn)題比高馬赫數(shù)條件下嚴(yán)重。同樣以上述錐柱模型、狀態(tài)為例,馬赫數(shù)3條件下迎風(fēng)面頭部激波角約29.61°,反射波角約34.05°;馬赫數(shù)6條件下迎風(fēng)面頭部激波角約24.07°,反射波角約26.97°。若為鈍頭體模型,這種問(wèn)題將更加突出。此外,模型的堵塞度、紋影窗口的擾動(dòng)等問(wèn)題也不容忽視。以上這些問(wèn)題在設(shè)計(jì)時(shí)必須予以綜合考慮。因此,超聲速條件下,閉口試驗(yàn)段能夠使流場(chǎng)均勻區(qū)范圍顯著擴(kuò)大,是一種可優(yōu)先考慮的試驗(yàn)段結(jié)構(gòu)形式。3.2流場(chǎng)均方根偏差變化兩種試驗(yàn)段流場(chǎng)性能指標(biāo)計(jì)算結(jié)果如表3所示?？梢钥闯?兩種試驗(yàn)段流場(chǎng)均勻區(qū)內(nèi)的速度場(chǎng)性能指標(biāo)(馬赫數(shù)均方根偏差σM、最大馬赫數(shù)偏差|ΔMa|max)均優(yōu)于高超聲速風(fēng)洞流場(chǎng)性能先進(jìn)指標(biāo)(GJB4399-2002)。兩者各截面平均馬赫數(shù)沿風(fēng)洞軸線均呈略為減小的趨勢(shì),閉口試驗(yàn)段軸向馬赫數(shù)梯度絕對(duì)值大一些,表明減小趨勢(shì)較快。閉口試驗(yàn)段各截面均勻區(qū)直徑均保持在Φ820mm以上,而開(kāi)口試驗(yàn)段均勻區(qū)直徑在700mm截面以后出現(xiàn)了明顯的減小,至1000mm截面均勻區(qū)為Φ528mm,減小的速率較馬赫數(shù)3噴管平緩很多。兩種試驗(yàn)段流場(chǎng)馬赫數(shù)等值線云圖計(jì)算結(jié)果如圖5所示?？梢钥闯?馬赫數(shù)6噴管的開(kāi)口自由射流試驗(yàn)段(圖5a)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)與馬赫數(shù)3噴管(圖2a)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)類(lèi)似,但射流流場(chǎng)外部的弓形激波與擴(kuò)壓器入口處壁面形成的反射激波與風(fēng)洞軸線的夾角明顯減小,并且溢流也有所減少,使得噴管出口處的三角形核心區(qū)流場(chǎng)長(zhǎng)度顯著增長(zhǎng),接近了計(jì)算域的出口;閉口試驗(yàn)段(圖5b)的流場(chǎng)隨著壁面邊界層的增厚在直管段也出現(xiàn)了微弱的壓縮波,并在風(fēng)洞軸線會(huì)聚,但反映在截面馬赫數(shù)均方根偏差上反而較開(kāi)口試驗(yàn)段有所提高,分析其原因應(yīng)是該處的馬赫數(shù)較高,邊界層增厚帶來(lái)的擾動(dòng)沿馬赫角傳播比較靠后。兩種試驗(yàn)段不同截面馬赫數(shù)沿徑向分布曲線計(jì)算結(jié)果如圖6所示,各截面馬赫數(shù)徑向分布與圖3相似,但反映出馬赫數(shù)6噴管流場(chǎng)的壁面邊界層厚度與馬赫數(shù)3噴管相比明顯增厚(馬赫數(shù)6噴管長(zhǎng)出720mm)。兩種試驗(yàn)段均勻區(qū)范圍計(jì)算結(jié)果如圖7所示。開(kāi)口自由射流試驗(yàn)段流場(chǎng)均勻區(qū)直徑在300mm截面處略為增大,然后不斷減小,與閉口試驗(yàn)段流場(chǎng)均勻區(qū)面積相比減小了約8.24%,從實(shí)際應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)來(lái)看,這點(diǎn)減小不會(huì)對(duì)試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷某叽缭斐捎绊?。以上?jì)算結(jié)果表明:在高超聲速條件下,閉口等直圓截面試驗(yàn)段流場(chǎng)均勻區(qū)的速度場(chǎng)性能指標(biāo)較開(kāi)口自由射流試驗(yàn)段略為提高;均勻區(qū)大小有所增加,但比較有限。從實(shí)際應(yīng)用考慮,采用開(kāi)口自由射流試驗(yàn)段的結(jié)構(gòu)形式可以避免模型頭部激波經(jīng)固壁邊界層反射后打在模型上、減緩高溫引起的紋影窗口變形等方面的影響,還具有無(wú)需超壓起動(dòng)、模型安裝方便等特點(diǎn),可適當(dāng)予以考慮。4高超聲速基于測(cè)試結(jié)果的流場(chǎng)模擬對(duì)Φ1m高超聲速風(fēng)洞馬赫數(shù)3、6兩副噴管,利用FASTRAN軟件研究了開(kāi)口自由射流和閉口等直圓截面兩種試驗(yàn)段結(jié)構(gòu)形式的風(fēng)洞穩(wěn)態(tài)流場(chǎng),并進(jìn)行對(duì)比分析,結(jié)果表明:(1)采用FASTRAN軟件的標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型對(duì)高超聲速風(fēng)洞噴管及試驗(yàn)段區(qū)域內(nèi)的