三维超声速开式空腔振荡特性研究

书书书 国! 防! 科! 技! 大! 学! 学! 报! ! 第 "# 卷第 # 期! ! ! ! ! ! $%&’()* %+ (),-%()* &(-./’0-,1 %+ 2/+/(0/ ,/34(%*%51! ! ! ! .678 "# (68 # "99: 文章编号：;99; < ":=#（"99:）9# < 999; < 9: 三维超声速开式空腔振荡特性研究! 侯中喜，夏! 刚，秦子增 （国防科技大学航天与材料工程学院，湖南 长沙! :;99>?） 摘! 要：采用时间 ? 阶、空间 @ 阶的高精度、高分辨率格式，对稳态来流条件下超声速开式空腔的非定 常振荡特性进行数值研究。通过二维和三维空腔压力变化、声压级、振荡频率等参数的计算和分析表明： 空腔内存在典型的压力振荡，振荡有近似的周期性，且变化规律较复杂，三维空腔对主振荡频率影响较小， 但振荡强度有较大的不同。 关键词：超声速复杂流场；非定常开式空腔；A/(%格式 中图分类号：.";;B ?! ! 文献标识码：) !"# $%&#’()*+ ,-*+./(/ 01 2/)(++*30’. 4"*’*)3#’(/3()/ (- 56 7%8#’/0-() 28#- 4*9(3. 4%& CD6EFGHI，J-) 5KEF，L-( CIGMNEF （3677NFN 6O )NP6QRKSN KET UKVNPIK7 /EFIENNPIEF，(KVI6EK7 &EIW8 6O 2NONEQN ,NSDE676FX，3DKEFQDK :;99>?，3DIEK） ,:/3’*)3：,DN YEQVNKTX 6QSI77KV6PX SDKPKSVNPIQVISQ IE QYRNPQ6EIS SKWIVX KPN EYZNPISK77X QVYTINT IE VDN QVNKTX IEO76[ S6ETIG VI6E8 @ 6PTNP A/(% QSDNZN KET ? 6PTNP ’YEFNG\YVVK K7F6PIVDZ KPN YQNT8 ,DP6YFD EYZNPISK77X SK7SY7KVIEF KET KEK7XMIEF VDN RPNQQYPN SDKEFIEF RP6SNTYPN，Q6YET RPNQQYPN 7NWN7，6QSI77KV6PX OPN]YNESX IE "2 KET ?2 SKWIVX，IV QD6[Q VDKV VDNPN IQ VXRISK7 RPNQQYPN 6QSI77KV6PX IE SKWIVX8 ,DN 6QSI77KV6PX DKQ KRRP6HIZKVN SXS7N，^ YV VDN 7K[ 6O SXS7N IQ WNPX S6ZR7NH8 ?2 SKWIVX NHNPVQ 7IVG V7N NOONSV 6E VDN ZKIE 6QSI77KV6PX OPN]YNESX，^ YV VDN 6QSI77KV6PX IEVNEQIVX IQ ]YIVN TIOONPNEV IE "2 KET ?28 ;#. <0’=/：QYRNPQ6EIS S6ZR7NH O76[OIN7T；YEQVNKTX 6RNE SKWIVX；A/(% QSDNZN 超声速开式空腔一般指空腔短而深、流动特征是存在横跨空腔的剪切层，空腔内、外通过自维持 的剪切层振荡相互影响，共生出脱落的涡、弱的非定常激波、膨胀波和压力波，并且这些流动结构相互 影响，形成了复杂的流动状态。超声速开式空腔包括两类：一类是被动产生的，包括飞行器部件间的 各种接缝，隐身和超声速巡航性能要求造成飞行器外挂物的内藏等；另一类是主动的，因为在超 声速气动控制领域，亚声速常用的突出装置会带来强的激波、严重的局部热应力和高阻力等问题，但 合理配置的开式空腔不会产生较强的激波和严重的局部热应力，同时空腔内较强的旋涡可以沿流向 将外界流体不断卷入，提高了边界层同主流动能的交互，增加流动的延迟时间，且阻力增加得并不多， 被应用于混合增强、火焰保持［>］、激波 _边界层分离控制［=］、边界层扰流器［#］、推力矢量控制和热防 护［=］等领域。 实验表明：超声速开式空腔内外存在着复杂的非定常流动，涉及自激的压力振荡和周期性空腔内 质量的增加和减少，流场中包含非定常涡的生成、脱落和破裂；包含湍流、激波以及声波之间的相互干 扰，存在严重的压力波动和强烈的噪声场。计算中要考虑高精度模拟各种尺度的光滑结构，同时也要 考虑光滑与非光滑结构的相互作用，因此，计算方法应具有高精度、高分辨率的特性。 空腔流动研究最早出现于 "9 世纪 @9 年代，在 =9 年代前［; ‘ ?］主要集中在亚声速和跨声速范围 内，随着飞行器速度的进一步提高，超声速空腔的数值模拟和实验研究也逐渐增多，超声速空腔振荡 影响的因素更多，受数值方法和实验技术的局限，对现象和机理的认识并不统一，但采用喷流实现空 ! 收稿日期："99: < 9: < ;9 基金项目：国家部委基金资助项目（:;?;?9;9;） 作者简介：侯中喜（;a>?—），男，副教授，博士。 腔主动控制的研究已经开始出现；!" 年代后［# $ %"］，随着实验显示技术的飞速发展和超声速计算气动 声学方法的兴起，对空腔机理方面的研究和认识已取得了一些共识［& $ !］，但空腔内旋涡、剪切层之间 的能量传递，振荡产生和约束相关因素的作用机理还没有一致的解释。随着隐身和超声速巡航飞行 器的发展、超燃发动机中火焰稳定和混合增强的需求，超声速开式空腔的研究又进入了一个全新的阶 段，同时，空腔的应用领域也大大扩展了，包括空腔的激波 ’边界层控制，推力矢量控制和减阻控制等 方面。 !" 控制方程和数值方法 !# !" 雷诺平均的 $%方程 "! "! ( "" "" ( "# "# ( "$ "$ ) ""% "" ( "#% "# ( "$% "$ 湍流模型采用 *+,模型，相关方程和其中物理量意义参见文献［&］。 !# &" 高精度、高分辨率 ’()优化的*+$,格式 -./0格式是在 ./0格式的基础之上构造的，它通过选择性地对 ./0重构值进行加权处理，以 在光滑区满足更高阶的计算要求，而在间断区保持原有的 ./0性质。123格式的基本思想是格式参 数使得相对于网格尺度较小波长的短波有高的分辨率。 !& -" 时间项的处理方法 采用具有 451性质的 6 阶 2789:+;7<<=算法，如对于时间为 ’阶的格式。 (（ )） * # ) +% , * " ［!),( （,） - !!"),.（( （,））］>（ ) * %，⋯，’） 其中，6 阶具体参数参见文献［&］。 &" 计算及分析 && !" 声压级计算公式 空腔内存在着由于压力振荡引起的噪声场，其声压级 ./（?@78A 3B:CC7B: ,:D:E）采用下式定义，对 应的单位是分贝数： ./ ) %"E9（$/ F 0 /F1） 式中，基准声压 /1 为 F G %" H&3=。 && &" 空腔流动计算条件 本文计算了空腔长深比为 . 0 2 ) 6 的二维和三维情况下开式空腔的流动，空腔长度为 .，深度为 2，对应的雷诺数为 %& !6 G %"#，来流马赫数 34I ) F& "。二维空腔内的网格数是 J" G &"，空腔外的网 格数为 %#6 G #K，壁面处网格采用了加密处理，空腔后缘长度取深度 2的 & 倍。 空腔固壁采用无滑移绝热条件；入口处给定来流条件，在边界层范围内通过估算的速度型给定； 出口采用无反射边界条件；上边界采用外推的方法。由于流动的非定常特性，初始条件较难直接给 出，因此采用首先插值给出初场，然后计算经过 %" 个特征时间流动基本进入较为稳定的循环，此时的 流动参数作为初场。 && -" 实验检验 为了检验程序计算的可靠性，对比文献［%］给出有实验数据的算例进行了计算，具体的条件为 . 0 2 ) F，3I ) FL "，2:# ) 6L #! G %" M，# ) "& !K!。在空腔底部壁面 " 0 . ) F 0 6 处，实验测定的频率约为 F6NOP，?3,为 %#MQ M%A*，该空腔曾在 ;=7RS=8实验室进行过详细的实验研究。文献采用了双薄层 /+ ?方程和 *+,湍流模型。算例计算经过了 K% 个特征时间周期，整个运行时间在 TB=U !" 机器上为 F%FV，经过 # 个周期计算后，结果为 " 0 . ) F 0 6 处的频率为 F#& FNOP，?3,是 %#KQ &MA*。 通过计算得出：空腔底部 " 0 . ) F 0 6 处的频率为 F&Q 6NOP，?3,是 %#6Q FA*，计算结果同实验相比， 对振荡的声压估计得较好，频率上较为接近，较文献的计算结果有一定的改进。 F > > > > > > > > > > 国 防 科 技 大 学 学 报> > > > > > > > > > > F""M 年第 # 期 !! "# 二维空腔流动的分析 超声速开式空腔在定常来流和边界条件下，产生了明显的非定常压力脉动，不同时刻、不同位置 处波系的分布各不相同，较为复杂。图 ! 中（"）、（#）分别给出了 "!，"$ 时刻长深比为 % 的空腔压力 等值线图。图 $（"）给出了 % & ! 空腔内底部中心处压力脉动图，图 $（#）给出了空腔内后缘壁面中心 处压力脉动图，这里 "!、"$ 是一个近似周期内的不同时刻。 图 !’ 开式空腔不同时刻压力等值线图 ()*+ !’ ,-.//0-. 123420- 25 26.3 1"7)48 "4 9)55.-.34 4):. 从图 $ 可以看出：空腔中压力波动较大，最小的压力为 ;! !$（压力的单位为采用 !< # $ <无因次化 的值），而最大的压力达到 ;! $=，但其时平均压力仅为 ;! !=>?，与来流的 ;! !@ 相差不大，而空腔后壁 压力脉动变化的幅度更高达 A 倍多，因此在空腔设计时一定要考虑压力振荡对结构的破坏作用，不能 按平均压力值来分析问题。 图 $’ 二维 % & ! 空腔内底部中心处压力脉动图 ()*+ $’ $B % & ! 26.3 1"7)48 6-.//0-. 2/1)CC"42-8 "4 1.34.- 25 #2442: 图 %’ "$ 时刻三维 % & ! 空腔压力等值面 ()*+ %’ ,-.//0-. 123420- 25 %B % & ! 26.3 1"7)48 "4 "$ 4):. !! $# 三维超声速开式空腔的流场分析 分析三维 % & ! 空腔的流动特征，其他 参数均与二维情况相同，只是在 %方向有了 一宽度，数值等于深度 &。图 % 给出了 "$ 时刻三维空腔的压力等值面，表 ! 给出了同 二维流动特征的比较。由计算结果可知：三 维空腔内压力脉动的特性与二维基本相同 （如脉动主频率），但脉动压力的振荡激烈程 度要小于二维，如图 D 和表 ! 所示，因此，声 压强度也低于二维空腔。由于三维空腔内 部同外部流动主要是通过剪切层和空腔内 外的涡相互耦合，受空腔内平行于来流方向 %壁面的限制，空腔内的参数分布沿 % 向变化不明显，而 空腔外的三维特性较为明显，在工程应用中应该注意空腔外的三维特征。 %’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ 侯中喜，等：三维超声速开式空腔振荡特性研究 表 !" 二维、三维空腔流动振荡参数表 #$%& !" ’()*$++,-./ 0$.$12,2.( -3 45、65 )$7*,/ 3+-83*2+9 结构形式 三维 6 : ! 二维 6 : ! 位置（(*,2） 底面中心点 后壁中心点 底部中心 后壁中心 平均压力 ;& !<4=4 ;& !<4>6 ;& !?@A? ;& !?;;> 声压级 !" !><& !@=& ?;@ !<6& 6;? !，6=（!）& ［4］" KM*M K O，O$129 I& PF(,2$9/ KE02.(-F*) G$7*,/ B+-8 K*1E+$,*-F( P(*FC G-E0+29 QL! $F9 R$7*2.LK,-Q2( STE$,*-F(［H］& INII H-E.F$+， !??=，64（!;）& ［6］" PF$+1*( ’ O，2, $+& D+$F$. U$(2. N1$C*FC -3 O*CM K0229 G$7*,/ B+-8 5/F$1*)(［V］& INII D$02. ?< W ;@@>，!??<& ［=］" X$FC Y H，GM2F V B& ’0,*1*Z29 X2*CM,29 S((2F,*$++/ R-FL-()*++$,-./ K)M212( 3-. U*F2$. X$72( 8*,M 5*()-F,*FE*,/［ H］& HGD，4;;!， !@=& ［A］" 侯中喜& 超声速复杂流场并行数值模拟及高阶格式研究［5］&国防科技大学博士学位论文，4;;;& ［>］" V-%2., G J& GM$.$),2.*(,*)( -3 G-10.2((*%+2 KM2$. U$/2. -72. $ G$7*,/［H］& INII H-E.F$+，4;;!，6?（6）& ［@］" I92+$ [ \，V-F$+9 ] O& G$7*,/ B+$12LM-+92.( 3-. NCF*,*-F $F9 B+$12 K,$%*+*Z$,*-F *F K).$1^2,(：IF ’72.7*28［H］& H-E.F$+ -3 D.-0E+L (*-F $F9 D-82.，4;;!，!@（=）& ［<］" ]$.1$F _，2, $+& #M2 \2$. *F V27*28L3+E*9 5/F$1*)(［H］& I2.-(0$)2 I12.*)$，4;;!，（!4）& ［?］" [.$E.+2 V I，2, $+& O/%.*9 K*1E+$,*-F I00.-$)M 3-. G$7*,/ 3+-8(：[+2F9*FC，I+C-.*,M1，$F9 [-EF9$./ #.2$,12F, N((E2(［ H］& INII H-E.F$+，4;;6，=!（<）& ［!;］" D-CC*2 H，2, $+& U$.C2L()$+2 K,.E),E.2( *F $ G-10.2((*%+2 J*‘*FC U$/2. -72. $ G$7*,/［H］& INII H，4;;6，=!（!4）& = " " " " " " " " " " 国 防 科 技 大 学 学 报" " " " " " " " " " " 4;;= 年第 > 期 三维超声速开式空腔振荡特性研究 作者： 侯中喜， 夏刚， 秦子增 作者单位： 国防科技大学航天与材料工程学院,湖南,长沙,410073 刊名： 国防科技大学学报 英文刊名： JOURNAL OF NATIONAL UNIVERSITY OF DEFENSE TECHNOLOGY 年，卷(期)： 2004，26(6) 引用次数： 0次 参考文献(2条) 1.Shih S H.Hamed A Unsteady Supersonic Cavity Flow Simulations Using Coupled k-ε and Navier- Stokes Equations 1994(10) 2.侯中喜 超声速复杂流场并行数值分析及高阶格式研究[学位论文] 2000 相似文献(0条) 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_gfkjdxxb200406001.aspx 下载时间：2010年6月9日