CN113494990B - 一种风洞扰动对超声速层流边界层厚度影响的分析方法 - Google Patents

一种风洞扰动对超声速层流边界层厚度影响的分析方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种风洞扰动对超声速层流边界层厚度影响的分析方法，通过风洞试验获得边界层内第二模态波频率f2nd，通过数值模拟计算获得边界层外缘速度Ue和边界层厚度计算值δCFD，基于第二模态波频率f2nd与边界层外缘速度Ue和边界层厚度δ的关系，换算获得边界层厚度值δEXP，采用边界层厚度计算值δCFD作为参考量获得无量纲边界层厚度δEXP/δCFD，该方法融合了第二模态波频率测量值f2nd，可反映风洞真实流场信息，采用边界层厚度计算值δCFD为参考量进行无量纲化，可进行不同来流流场条件下模型表面不同位置边界层厚度的对比，该方法适用于风洞来流扰动对层流边界层厚度的影响研究，该方法对流场无干扰，对试验测量设备要求低，通用性强。

Description

一种风洞扰动对超声速层流边界层厚度影响的分析方法
技术领域
本发明属于试验测量技术领域，特别涉及一种风洞扰动对超声速层流边界层厚度影响的分析方法。
背景技术
数值模拟计算方法可获得部分边界层流动信息，但是对于超声速流动，现有的数值模拟计算方法尚难以考虑来流扰动对边界层厚度的影响。而在超声速风洞中，进行层流边界层厚度测量主要有两种方法，分别为介入式测量方法(热线法和压力耙法)和光学测量方法(聚焦纹影技术，瑞利散射技术和NPLS等)。介入式测量方法由于测量装置的引入，对流场存在干扰，另外介入式测量方法的空间分辨率较低，测量误差大。光学测量方法对设备要求较高，设备在不同风洞中的可移植性差。另外，由于不同风洞来流参数(来流马赫数、来流总压和总温等)不完全一致，不同风洞中获得的边界层厚度值难以直接进行对比。
发明内容
为了克服现有技术中的不足，本发明人进行了锐意研究，提供了一种风洞扰动对超声速层流边界层厚度影响的分析方法，通过风洞试验获得边界层内第二模态波频率f2nd，通过数值模拟计算获得边界层外缘速度Ue和边界层厚度计算值δCFD，基于第二模态波频率f2nd与边界层外缘速度Ue和边界层厚度δ的关系，换算获得边界层厚度值δEXP，采用边界层厚度计算值δCFD作为参考量获得无量纲边界层厚度δEXP/δCFD，该方法融合了第二模态波频率测量值f2nd，可反映风洞真实流场信息，采用边界层厚度计算值δCFD为参考量进行无量纲化，可进行不同来流流场条件下模型表面不同位置边界层厚度的对比，该方法适用于风洞来流扰动对层流边界层厚度的影响研究，该方法对流场无干扰，对试验测量设备要求低，通用性强。
本发明提供的技术方案如下：
一种风洞扰动对超声速层流边界层厚度影响的分析方法，包括通过风洞试验测得边界层第二模态波频率f2nd，通过数值模拟计算获得边界层外缘速度Ue和边界层厚度计算值δCFD，基于第二模态波频率f2nd与边界层外缘速度Ue和边界层厚度δ的关系，换算获得边界层厚度值δEXP，采用边界层厚度计算值δCFD作为参考量获得无量纲边界层厚度δEXP/δCFD，对比风洞不同扰动来流条件下的无量纲边界层厚度δEXP/δCFD，获得风洞来流扰动对层流边界层厚度的影响规律；具体包括如下步骤：
步骤(1)，在超声速风洞试验中，采用脉动压力传感器测量模型表面脉动压力，获得脉动压力时域信息；
步骤(2)，采用频谱变换方法，将步骤(1)测得的脉动压力时域信息变换为频域信息；
步骤(3)，基于步骤(1)测得的脉动压力时域信息，采用雷诺平均数值模拟计算方法，按照风洞试验流场条件计算模型周围流场，沿模型测点位置壁面法线方向提取速度信息，获得测点位置边界层厚度计算值δCFD和边界层外缘速度Ue；
步骤(4)，基于步骤(3)雷诺平均数值模拟计算获得的层流边界层流场信息，对模型表面边界层流场进行稳定性分析，获得边界层内第二模态最不稳定扰动波频率，选择与稳定性分析获得的边界层内第二模态最不稳定扰动波频率最为接近的试验测量频率峰值为第二模态波频率f2nd；
步骤(5)，基于第二模态波频率f2nd与边界层厚度δ和边界层外缘速度Ue的关系，换算获得边界层厚度值δEXP；
步骤(6)，采用步骤(3)中获得的测点位置边界层厚度计算值δCFD作为参考量，边界层厚度值δEXP除以参考量，获得无量纲边界层厚度δEXP/δCFD；
步骤(7)，对比风洞不同扰动来流条件下的无量纲边界层厚度δEXP/δCFD，获得风洞来流扰动对层流边界层厚度的影响规律。
根据本发明提供的一种风洞扰动对超声速层流边界层厚度影响的分析方法，具有以下有益效果：
(1)本发明提供的一种风洞扰动对超声速层流边界层厚度影响的分析方法，采用模型表面的高频脉动压力传感器测得第二模态波频率f2nd，高频脉动压力传感器安装于模型表面测压孔中，传感器不凸出模型表面，利用第二模态波频率f2nd与边界层厚度δ和边界层外缘速度Ue的关系换算获得边界层厚度值，该方法对流场无干扰，对设备的要求较低，易在不同风洞中移植使用；
(2)本发明提供的一种风洞扰动对超声速层流边界层厚度影响的分析方法，采用边界层厚度计算值为参考量进行无量纲化可进行不同来流流场条件下模型表面不同位置边界层厚度的对比，该方法适用于风洞来流扰动对层流边界层厚度的定性影响研究。
附图说明
图1为本发明提供的一种风洞扰动对超声速层流边界层厚度影响的分析方法流程图；
图2为边界层厚度与来流噪声级的关系。
具体实施方式
下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。
在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
本发明提供了一种风洞扰动对超声速层流边界层厚度影响的分析方法，包括通过风洞试验测量获得的边界层第二模态波频率f2nd和数值模拟计算获得的边界层外缘速度Ue，基于第二模态波频率f2nd与边界层外缘速度Ue和边界层厚度δ的关系，换算获得边界层厚度值δEXP，采用边界层厚度计算值δCFD为参考量进行无量纲化可进行不同来流流场条件下模型表面不同位置边界层厚度的对比，获得风洞流场扰动对层流边界层厚度的定性影响规律。该分析方法具体包括如下步骤：
步骤(1)，在超声速风洞试验中，采用高频脉动压力传感器如PCB传感器，测量模型表面脉动压力，获得脉动压力时域信息，该时域信息包括模型表面压力和时间；
步骤(2)，采用频谱变换方法，将步骤(1)测得的脉动压力时域信息变换为频域信息，该频率信息包括脉动能量、脉动幅值与频率信息；
步骤(3)，基于步骤(1)测得的脉动压力时域信息，采用雷诺平均数值模拟计算方法，按照风洞试验流场条件计算模型周围流场，沿模型测点位置壁面法线方向提取速度信息，选择随着与模型壁面的距离逐渐增加，速度值不再增加时的速度为边界层外缘速度Ue，对应位置距离模型表面距离的99％为边界层厚度计算值δCFD；
步骤(4)，基于步骤(3)雷诺平均数值模拟计算获得的层流边界层流场信息，对模型表面边界层流场进行稳定性分析，获得边界层内第二模态最不稳定扰动波频率，选择与稳定性分析获得的边界层内第二模态最不稳定扰动波频率最为接近的试验测量频率峰值为第二模态波频率f2nd；
步骤(5)，基于第二模态波频率f2nd与边界层厚度δ和边界层外缘速度Ue的关系，换算获得边界层厚度值δEXP；
步骤(6)，采用步骤(3)中获得的测点位置边界层厚度计算值δCFD作为参考量，边界层厚度值δEXP除以参考量，获得无量纲边界层厚度δEXP/δCFD；
步骤(7)，对比风洞不同扰动来流条件下的无量纲边界层厚度δEXP/δCFD，获得风洞来流扰动对层流边界层厚度的影响规律。
在一种优选的实施方式中，步骤(1)中，在超声速风洞试验中，超声速风洞的来流速度大于声速。
在一种优选的实施方式中，步骤(1)中，所述高频脉动压力传感器安装于模型表面测压孔中，传感器与模型表面平齐或者略低于模型表面，即传感器不得凸出模型表面。
所述高频脉动压力传感器的响应频率＞500kHz，传感器的采集频率≥2MHz。
在一种优选的实施方式中，步骤(2)中，所述频谱变换方法包括但不限于傅里叶变换方法。
在一种优选的实施方式中，步骤(4)中，选择与稳定性分析获得的边界层内第二模态最不稳定扰动波频率最为接近的试验测量频率峰值为第二模态波频率f2nd。目前稳定性分析方法可较为准确预测模型表面第二模态波频率，但是在稳定性分析中尚无法考虑来流流场扰动的影响，因而选择与稳定性分析获得的边界层内第二模态最不稳定扰动波频率最为接近的、考虑来流流场扰动影响的试验测量频率峰值为第二模态波频率f2nd。
在一种优选的实施方式中，步骤(5)中，所述第二模态波频率f2nd与边界层厚度δ和边界层外缘速度Ue的关系通过以下关系式表达：其中，系数A取值范围为0.4≤A≤0.65。
在一种优选的实施方式中，步骤(6)中，所述边界层厚度计算值为采用相同的计算网格和相同的计算方法获得的边界层厚度计算值。
在一种优选的实施方式中，步骤(7)中，流场扰动可采用来流噪声级进行表征，流场噪声级为流场脉动压力均方根值与平均压力值之比的百分比。
在一种优选的实施方式中，所述分析方法仅适用边界层内存在第二模态扰动波的层流边界层厚度的变化分析。
实施例
实施例1
在超声速风洞试验中，以半锥角7度的圆锥模型为研究对象，采用PCB132A31型传感器测量模型表面脉动压力信息，采集频率为5MHz，采用傅里叶变换获得频谱信息。数值计算中采用二阶迎风格式有限体积方法求解边界层方程，获得0度攻角条件下的圆锥模型层流流场，采用轴对称方法进行二维流动计算，计算域入口和出口均为远场压力条件，模型壁面为等温条件。在模型近壁面区域和头部区域进行局部网格加密，以便获得准确的边界层流动和头部激波信息。采用本发明的方法对国内外不同风洞条件下的无量纲边界层厚度进行了对比，获得了风洞来流噪声级对边界层无量纲后的影响规律，如图2所示，随着来流噪声级的增加，边界层厚度增加。图2中，BAM6QT-Run21、BAM6QT-Run26、BAM6QT-Run35和BAM6QT-Run11指示的数据来源于文献“Estorf M,Radespiel R,Schneider S P,etal.Surface-pressure measurements of second-mode instability in quiethypersonic flow[R].AIAA 2008-1153.2008”；JF8A指示的数据来源于文献“栗继伟,卢盼,汪球,等.激波风洞7°尖锥边界层转捩实验研究[J].北京航空航天大学学报.2020，46(11)：2087-2093”；H2K指示的数据来源于文献“Willems S,Gulhan A,Juliano T J,etal.Laminar to turbulent transition on the HIFiRE-1 cone at mach 7and highangle of attack[R].AIAA 2014-0428.2014”；FD-14A指示的数据来源于文献“李强,江涛,陈苏宇,等.激波风洞边界层转捩测量技术及应用[J].航空学报.2019,40(8):122740”。
以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (9)

1.一种风洞扰动对超声速层流边界层厚度影响的分析方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤(1)，在超声速风洞试验中，采用脉动压力传感器测量模型表面脉动压力，获得脉动压力时域信息；
步骤(2)，采用频谱变换方法，将步骤(1)测得的脉动压力时域信息变换为频域信息；
步骤(3)，基于步骤(1)测得的脉动压力时域信息，采用雷诺平均数值模拟计算方法，按照风洞试验流场条件计算模型周围流场，沿模型测点位置壁面法线方向提取速度信息，获得测点位置边界层厚度计算值δCFD和边界层外缘速度Ue；
步骤(4)，基于步骤(3)雷诺平均数值模拟计算获得的层流边界层流场信息，对模型表面边界层流场进行稳定性分析，获得边界层内第二模态最不稳定扰动波频率，选择与稳定性分析获得的边界层内第二模态最不稳定扰动波频率最为接近的试验测量频率峰值为第二模态波频率f2nd；
步骤(5)，基于第二模态波频率f2nd与边界层厚度δ和边界层外缘速度Ue的关系，换算获得边界层厚度值δEXP；
步骤(6)，采用步骤(3)中获得的测点位置边界层厚度计算值δCFD作为参考量，边界层厚度值δEXP除以参考量，获得无量纲边界层厚度δEXP/δCFD；
步骤(7)，对比风洞不同扰动来流条件下的无量纲边界层厚度δEXP/δCFD，获得风洞来流扰动对层流边界层厚度的影响规律。
2.根据权利要求1所述的风洞扰动对超声速层流边界层厚度影响的分析方法，其特征在于，步骤(1)中，在超声速风洞试验中，超声速风洞的来流速度大于声速。
3.根据权利要求1所述的风洞扰动对超声速层流边界层厚度影响的分析方法，其特征在于，步骤(1)中，所述脉动压力传感器安装于模型表面测压孔中，脉动压力传感器不凸出模型表面。
4.根据权利要求1所述的风洞扰动对超声速层流边界层厚度影响的分析方法，其特征在于，步骤(1)中，所述脉动压力传感器为高频脉动压力传感器，响应频率＞500kHz，传感器的采集频率≥2MHz。
5.根据权利要求1所述的风洞扰动对超声速层流边界层厚度影响的分析方法，其特征在于，步骤(2)中，所述频谱变换方法包括傅里叶变换方法。
6.根据权利要求1所述的风洞扰动对超声速层流边界层厚度影响的分析方法，其特征在于，步骤(3)中，选择随着与模型壁面的距离逐渐增加，速度值不再增加时的速度为边界层外缘速度Ue，对应位置距离模型表面距离的99％为边界层厚度计算值δCFD。
7.根据权利要求1所述的风洞扰动对超声速层流边界层厚度影响的分析方法，其特征在于，步骤(5)中，所述第二模态波频率f2nd与边界层厚度δ和边界层外缘速度Ue的关系通过以下关系式表达：其中，系数A为常数。
8.根据权利要求7所述的风洞扰动对超声速层流边界层厚度影响的分析方法，其特征在于，所述系数A取值范围为0.4≤A≤0.65。
9.根据权利要求1所述的风洞扰动对超声速层流边界层厚度影响的分析方法，其特征在于，所述分析方法适用边界层内存在第二模态扰动波的层流边界层厚度的变化分析。
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