【摘 要】
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近年来,随着航空航天的发展,高超声速飞行器的研制备受关注,飞行器头部形状往往设计成具有一定的钝度。对于高超声速钝头体绕流,脱体激波后形成的熵层对边界层的影响情况是值得研究的。本文采用直接数值模拟(DNS)方法和理论分析,研究了高超声速零攻角钝锥边界层流动特征。通过超声速钝锥边界层各参数剖面与尖锥边界层的对比,研究了存在的熵层对边界层发展的影响。研究了熵吞点确定方法及特征,结合理论分析研究了高超声速
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近年来,随着航空航天的发展,高超声速飞行器的研制备受关注,飞行器头部形状往往设计成具有一定的钝度。对于高超声速钝头体绕流,脱体激波后形成的熵层对边界层的影响情况是值得研究的。本文采用直接数值模拟(DNS)方法和理论分析,研究了高超声速零攻角钝锥边界层流动特征。通过超声速钝锥边界层各参数剖面与尖锥边界层的对比,研究了存在的熵层对边界层发展的影响。研究了熵吞点确定方法及特征,结合理论分析研究了高超声速钝锥边界层是否存在相似性这一问题。对熵吞点附近流动特征分析,研究了钝锥边界相似解存在位置与熵吞点的关系。获得的主要成果及结论如下:1、熵吞点之前,熵层中不同熵值的流动会随相应的流线先后进入边界层。流动边界层可分为两个区域,受熵层影响较大的外边界层和由黏性作用主控的内边界层。对比不存在熵层的超声速尖锥边界层,发现内层区域与超声速尖锥边界层进壁区一致;随着流动向下游发展,熵层对外层影响逐渐减小,参数剖面逐渐向尖锥剖面靠近。钝度和马赫数的增大均会使得熵层影响增强,内层厚度减小。2、对熵吞过程及熵吞之后的边界层进行理论分析和DNS计算,发现熵吞点一段距离后超声速钝锥边界层才具有相似性,即,超声速钝锥边界层出现相似性并非在熵吞点。虽然在熵吞点熵层已全部进入边界层,但超声速钝锥边界层内剖面并没有马上与尖锥剖面完全重合,而是经过一段长度后才与尖锥边界层剖面重合,说明钝锥边界层发展到具有相似性需要一定的“松弛长度”,且松弛长度随马赫数和钝头半径的增大而增大。3、根据熵吞点处流动特征,研究了熵吞点位置确定的方法,给出简便预测熵吞点位置的计算公式。可以不依赖于数值模拟结果,只需根据来流条件即可直接给出熵吞点位置。对几种不同来流情况计算并与DNS的结果比较,发现采用公式直接计算的熵吞点位置均比DNS的要提前一些,最大偏差值小于5%。
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