CN112507629A - 一种考虑激波的感受性分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及感受性问题研究领域，公开了一种考虑激波的感受性分析方法，本方法通过以下几个步骤实现：步骤1：对来流扰动波进行激波干扰分析，获得激波干扰后生成的新扰动波；步骤2：分析获得的新扰动波，并根据分析结果划分区域，然后研究各区域的新扰动波激发边界层扰动波的情况；步骤3：分析各区域新扰动波激发边界层扰动波的机理。本方法考虑流场激波的存在，利用数值计算与理论分析方法，追踪扰动从来流到激波、激波后向下游传播进入边界层、最终激发不稳定波的演化过程，可以细致研究在整个过程中来流扰动的感受性机理和传播途径。
Description
技术领域
本发明涉及感受性问题研究，尤其涉及一种考虑激波的感受性分析方法。
背景技术
自然界中气流吹过物体时，其表面因气体的粘性作用而产生附着薄层，称为边界层。边界层流动存在着层流和湍流两种状态，湍流相较于层流具有高摩擦力、高热流、强掺混作用的特点，对物体(如飞行器)具有很强的破坏性。从层流到湍流的转变称为转捩。如果能够建立有效的转捩预测技术来预测边界层转捩位置，则可以更好地对飞行器进行热防护设计。
建立转捩预测技术，就要从科学上认识转捩问题。转捩过程一般分为三个阶段：第一个阶段是感受性阶段；第二个阶段是边界层扰动线性/非线性演化；第三个阶段是扰动二次失稳进而转捩为湍流状态。感受性即为外界扰动通过某种途径进入边界层而触发相应扰动波的过程，为后面阶段提供扰动波的初始幅值、频率和相位等信息。因此，研究感受性问题是研究转捩问题的首要任务。
感受性问题的研究方法有理论分析、数值计算、风洞实验等。理论分析可对感受性问题作出科学解释，方法有线性稳定性理论(LST)、三层结构理论等。数值计算是通过求解Navier-Stokes方程模拟来流扰动经过激波、下游传播、进入边界层、激发不稳定波的整个感受性过程。风洞实验是通过真实吹风实验测量模型表面的扰动信号以获取转捩信息(包括感受性信息)，但相较于前面两个方法，成本非常高，一般用于验证分析，这里不作考虑。
尽管理论分析方法和数值计算方法发展比较成熟，且一定程度上能够解决感受性问题，但在研究对象和研究思路上还具有局限性，理论分析与数值计算的结合分析对感受性问题仍存在认识盲区。其不足之处表现在：
(1)理论分析未考虑激波。早期感受性问题的研究对象是数学函数或相似性解的流场模型，不存在激波，即边界层直接面对来流环境。但在实际中因为模型前端的作用，流场中存在斜激波或者弓形激波，这将会改变来流扰动进入边界层时的扰动形式、传播途径以及激发边界层扰动波的效率。
(2)过激波后扰动信息认识不足。来流扰动过激波后扰动形式和幅值等均发生变化。数值计算可以模拟来流扰动经过激波乃至激发边界层扰动的整个感受性过程，但还没有对激波后的扰动形式形成认识，不利于研究其激发下游边界层扰动的机理。
(3)激波后扰动的演化激发过程认识不足。激波后扰动可能存在多种形式，那么它们向下游演化激发边界层扰动的途径可能也是不一样的。以往数值计算只是分析下游激发边界层扰动的过程，对扰动从激波到边界层的中间演化过程存在认识盲区。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提出一套能够用于研究尖头和钝头模型对来流扰动的感受性问题的分析方法，深入认识这种模型的感受性机理，为解决转捩问题提供初始信息，从而为建立高效准确的转捩预测技术提供支撑。
本发明采用的技术方案如下：一种考虑激波的感受性分析方法，包括：
步骤1：对来流扰动波进行激波干扰分析，获得激波干扰后生成的新扰动波；
步骤2：分析获得的新扰动波，并根据分析结果划分区域，然后研究各区域的新扰动波激发边界层扰动波的情况；
步骤3：分析各区域新扰动波激发边界层扰动波的机理。
进一步的，所述步骤1中，利用扰动与激波作用的线性RH理论进行激波干扰分析。
进一步的，所述步骤2具体包括：
步骤21：根据激波干扰后获得的新扰动波，分析新扰动波的扰动形式及分布情况；
步骤22：根据其扰动形式及分布情况，划分区域；
步骤23：在激波后原计算域中提取一个激波后子计算域，根据划分的各区域设定子计算域的边界条件；
步骤24：分别利用数值计算研究各区域新扰动波激发边界层扰动波的路径和激发强度。
进一步的，所述步骤3中，利用线性稳定性理论分析新扰动波激发边界层扰动波的机理。
与现有技术相比，采用上述技术方案的有益效果为：该方法可用于解决实际外形的感受性问题，以往的理论分析体系仅针对简单理想模型。并且可以更科学地认识实际外形的感受性机理，以往数值计算不能解释扰动过激波、下游传播、进入边界层激发扰动波的机理问题。
附图说明
图1是来流扰动感受性过程示意图。
图2是本发明流程示意图。
图3是激波后分区研究示意图。
附图标记：1—来流基本流，2—来流扰动，3—激波，4—激波后新扰动，5—边界层，6—边界层外缘，7—边界层扰动，8—模型表面，9—区域1，10—区域2，11—区域3，12—子计算域，13—区域1计算边界，14—区域2计算边界，15—区域3计算边界。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
本发明实施例提供一种考虑激波的感受性分析方法，本方法考虑流场激波的存在，利用数值计算与理论分析方法，追踪扰动从来流到激波、激波后向下游传播进入边界层、最终激发不稳定波的演化过程，可以细致研究在整个过程中来流扰动的感受性机理和传播途径。
如图1所示，图1给出来流扰动感受性过程示意图。感受性过程比较复杂多样，可分为三个阶段研究：第一个阶段为来流扰动与激波的作用；第二个阶段为与激波相互作用后产生多种新扰动波，并各自以某种途径向下游传播进入边界层；第三个阶段为新扰动波激发边界层扰动波。
图2为本方法的流程示意图，本方法整个过程可利用直接数值模拟方法计算来流扰动的三个阶段演化过程。数值计算通过求解Navier-Stokes方程(简称NS方程)来实现，方程形式、数值方法、边界条件可参考计算流体力学教材。数值计算虽然可以描绘整个过程，但不能解释其中的科学道理，需要理论方法研究物理机制。根据划分的三个感受性阶段，分别利用相应的理论与方法来分析。
本方法具体包括以下几个步骤：
步骤S1：对来流扰动波进行激波干扰分析，获得激波干扰后生成的新扰动波。
具体的，在步骤S1中，利用扰动与激波作用的线性RH理论进行激波干扰分析。
步骤S2：分析获得的新扰动波，并根据分析结果划分区域，然后研究各区域的新扰动波激发边界层扰动波的情况。
具体的，所述步骤S2具体包括：
步骤21：根据激波干扰后获得的新扰动波，分析新扰动波的扰动形式及分布情况；
步骤22：根据其扰动形式及分布情况，划分区域；
步骤23：在激波后原计算域中提取一个激波后子计算域，根据划分的各区域设定子计算域的边界条件；
步骤24：分别利用数值计算研究各区域新扰动波激发边界层扰动波的路径和激发强度。
步骤S3：分析各区域新扰动波激发边界层扰动波的机理。
针对步骤S2，如图3所示，图3给出分区研究示意图。在激波后区域的原计算域中提取一个子计算域(激波后的计算域)，根据激波干扰后获得新扰动波信息划分的区域设定子计算域的边界条件，分别利用数值计算研究各区域激波后扰动对激发边界层扰动波的路径和激发强度。
例如，在图3中，来流慢声波扰动经激波作用后产生三种新扰动，分别为快声波分布在区域1、熵/涡波分布在区域2和慢声波分布在区域3。针对区域1的快声波，通过变换处理转变为区域1的计算边界条件，研究区域1快声波的传播路径以及对激发边界层扰动波的情况。同样方法应用到区域2的熵/涡波和区域3的慢声波。然后对比这三种扰动波的结果，可以认识感受性机理。
本方法的创新点在于：
(1)该方法是以数值计算为基础，分三个阶段理论分析认识感受性机理，可用于解决具有激波的感受性问题。
(2)该方法能够认识激波后的扰动信息，便于下游激发边界层扰动机理的研究。
(3)该方法可针对激波后新扰动的形式和分布，分别研究其演化途径和激发边界层扰动波的效率，可认识激发扰动波的主导机理。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。如果本领域技术人员，在不脱离本发明的精神所做的非实质性改变或改进，都应该属于本发明权利要求保护的范围。
Claims (4)
1.一种考虑激波的感受性分析方法，其特征在于，包括：
步骤1：对来流扰动波进行激波干扰分析，获得激波干扰后生成的新扰动波；
步骤2：分析获得的新扰动波，并根据分析结果划分区域，然后研究各区域的新扰动波激发边界层扰动波的情况；
步骤3：分析各区域新扰动波激发边界层扰动波的机理。
2.根据权利要求1所述的一种考虑激波的感受性分析方法，其特征在于，所述步骤1中，利用扰动与激波作用的线性RH理论进行激波干扰分析。
3.根据权利要求1所述的一种考虑激波的感受性分析方法，其特征在于，所述步骤2具体包括：
步骤21：根据激波干扰后获得的新扰动波，分析新扰动波的扰动形式及分布情况；
步骤22：根据其扰动形式及分布情况，划分区域；
步骤23：在激波后原计算域中提取一个激波后子计算域，根据划分的各区域设定子计算域的边界条件；
步骤24：分别利用数值计算研究各区域新扰动波激发边界层扰动波的路径和激发强度。
4.根据权利要求1所述的一种考虑激波的感受性分析方法，其特征在于，所述步骤3中，利用线性稳定性理论分析新扰动波激发边界层扰动波的机理。
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