高超声速热流计算湍流模型性能评估.pdf

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1、2015年2月第41卷第2期北京航空航天大学学报JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronauticsFebruary2015V01．4lNo．2http：／／bhxb．buaa．edu．cnjbuaa@buaa．edu．cnDOI：10．13700／j．bh．1001-5965．2014．0109高超声速热流计算湍流模型性能评估张翔，阎超+(北京航空航天大学航空科学与工程学院，北京100191)摘要：采用计算流体力学方法，通过对高超声速来流下双椭球热流计算，综合分析了

2、影响壁面热流预测精度的因素．针对工程上4种常用的湍流模型：BL(Baldwin—Lomax)模型、SA(Spalart．Allmaras)模型、k-to模型及SST(Shear—StressTransport)模型，评估了其在高超声速热流预测中的性能，获得了湍流模型下壁面法向网格雷诺数对热流计算的影响规律．此外，对高马赫数下不同后掠角钝舵模型进行热流计算，获得了后掠角对钝舵前缘热流峰值的影响规律．研究表明，两方程湍流模型相比一方程和零方程模型更适合高超声速气动热计算，其中SST模型对热流预测精度更高，总体性能更为优异；钝舵

3、驻点线最大热流随后掠角增大呈非单调变化，在后掠角约为220时热流达到峰值．关键词：计算流体力学；热流；湍流模型；钝舵；后掠角中图分类号：V211．3文献标识码：A文章编号：1001．5965(2015)02-0337-06高超声速飞行器气动热的精确预测是计算流体力学(CFD)最具挑战性的难题之一⋯．热流是由黏性起主导作用的物理现象，它的计算精度与物理模型、数值格式、计算网格、收敛过程、热流后处理等密切相关，这些多重因素的交错影响导致了热流计算的复杂性【21．壁面热流依赖温度梯度在壁面上的精确计算，而高超声速边界层内的温度分

4、布具有强非线性，要想获得准确的温度分布需要在边界层内布置大量的计算网格¨3，以往的文献均将网格雷诺数旧1(舶洲，)作为衡量网格因素的重要参数，并研究了保证热流计算精度所需要的网格雷诺数条件"引．对于计算格式和收敛判别方面，姜振华和阎超旧·研究了目前广泛使用的两类上风格式：Roe的FDS(FluxDifferenceSplitting)和AUSM(AdvectionUpstreamSplittingMethod)系列搭配不同限制器以及高阶格式对热流计算精度的影响；潘沙等"1研究了热流计算收敛性的判别标准；李君哲和阎超”。研究

5、了几类上风格式对热流计算精度的影响．而高超声速流动的雷诺数很大，在一般的飞行器上均会发生转捩¨1，当流动从层流转变为湍流时，壁面摩阻和热流会迅速增大，壁面热流可以增大一个量级¨1．可以肯定的是，尽管DNS(Di—rectNumericalSimulation)能够给出简单流动问题的计算结果，但对于工程常见的复杂外形，DNS高昂的计算成本和时间成本让人望而生畏．本文结合已有文献对计算网格、数值格式以及限制器选取的研究结果，分析了4种工程常用的湍流模型：BL，SA，k-aJ，SST对热流计算精度的影响，并验证了计算精度较高的两

6、方程模型(k-to与SST)搭配耗散性小的AUSMPW格式与混合限制器时对网格的依赖性．另外，对于一般的吸气式高超声速飞行器，由于飞行高度较低，控制舵处流态大多已发展为湍收稿13期：2014-03-11；录用日期：2014-05·30；网络出版时间：2014-09-0411：20网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／doi／10．13700／j．bh．1001-5965．2014．0109．html作者简介：张翔(1989一)，男，陕西宝鸡人，硕士生，zx906@126．coin·通讯作者：阎超(1962一)，

7、男，江苏徐州人，教授，yanehao@buaa．edu，cn，主要研究方向为计算流体力学引用格式：张翔，阎超．高超声速热流计算湍流模型性能评估fJJ．北京航空航天大学学报，2015，41但)：337．342．Zhangx，YahC．Pmpertyevaluation011turbulencemodelscalculationinhypersonicheattransfersimulationfJJ．JournMofBeqingUniversityofAeronauticsandAstronautics，2015，4I口)：

8、337—342(inChinese)．338北京航空航天大学学报2015年流，此时舵前缘的气动加热异常严峻一1．文献[10]中详细介绍了平板钝舵模型的研究现状，分析了不同因素对钝舵热流的影响．本文依据对湍流模型的评价结果，研究了不同后掠角对钝舵热流的影响，得到了钝舵前缘最大热流随后掠角的变化趋势．1数值