文摘

本文作为总结我们最近的工作对超音速MVG莱斯。一个隐式实现大涡模拟(ILES)通过使用5次WENO方案应用于研究microramp周围的流涡发生器(MVG)和2.5马赫。许多新发现的超音速绕流MVG已经包括螺旋点,表面分离拓扑中,动量源赤字,表面变形,Kelvin-Helmholtz不稳定,涡环一代,ring-shock交互,3 d再压缩冲击结构,MVG下滑角的影响。大部分的新发现,这是在2009年,经实验UTA实验团队在2010年。附近的一个新的5-pair-vortex-tube模型MVG给出基于ILES观察。发现涡ring-shock互动的新的机制减少分离区shock-boundary层相互作用引起的。

1。介绍

众所周知,对超音速射流,冲击边界层相互作用(SBLI)可以显著降低流场的质量通过触发大规模分离,导致总压力损失,使流不稳定和扭曲,甚至可以使发动机无法启动。为了提高边界层的“健康”,一系列新设备命名为微型涡流发生器是专为流量控制,这是高度约20 - 40%(或多或少)的边界层厚度。因为健壮的结构,具体microramp涡发生器(MVG)成为更具吸引力的入口设计师。密集的计算和实验研究了MVG最近。

林表示(1)设备像MVG缓解流畸变紧凑导管在某种程度上和控制边界层分离由于逆压力梯度。类似的言论审查Ashill et al。2]。关于微VG的正式的、系统的研究包括微坡道VG可以在报纸上找到的安德森et al。3]。巴宾斯基等。4- - - - - -7)进行了一系列不同类型的实验mirco vg和调查细节的控制效果。MVG流控制机制从他的工作被称为一对反向旋转的主要流向漩涡是由MVG生成,主要位于边界层和旅行下游相当大的距离。二次涡流坐落在主要的和更多的流向涡在合适的条件下可以生成。回水区漩涡内边界后将低能量液体从底部和高势头流体边界层。引人注目的循环动力赤字地区观察后MVG后面。漩涡将继续提升缓慢,这被认为是漩涡的升流效应的结果。

在MVG数值模拟进行了比较研究,进一步设计目的。Ghosh et al。8)做了详细的计算实验条件下由巴宾斯基通过跑,混合了/莱斯,沉浸边界(IB)技术。李等人。9,10)也使得计算微观vg问题通过使用单调集成大涡模拟(英里)。基本流程结构动力赤字和流向漩涡中复制计算。进一步的研究也进行的改善控制效果。

为设计工程师找到MVG物理学是绝对必要的。DES跑,跑/ DES,跑/莱斯,等等都是不错的工程工具,但可能无法揭示MVG的机制和深刻的理解。我们需要高阶DNS /莱斯。一个强大的工具集成的高阶LES和实验。最近,一个隐式LES MVG控制shock-boundary层交互在24度斜坡在1440年2.5马赫数和雷诺数进行了2009年(12]。在这项工作,一些新发现的机制,发现MVG截然不同与先前报道的文献中实验和数值工作。新发现包括(1)螺旋分和流拓扑MVG左右,(2)新理论的五双涡旋MVG附近,(3)动量起源赤字,(4)拐点(3 d表面)和Kelvin-Helmholtz——(k - h)不稳定型、(5)涡环,(6)ring-shock交互和减少分离,(7)3 d re-compressed冲击结构,(8)后缘角下降的影响。

大部分的新发现是由2009年10月,后来被证实UTA实验工作(2010年4月13]。根据我们的观察,MVG机制减少流动分离是由交互MVG产生的冲击和涡环。

本文安排如下。讨论了数值方法部分2。节3,所有新发现和新机理进行了总结和分析。最后,结论部分4。

2。数值方法

2.1。控制方程

控制方程的无量纲的n - s方程在保守的形式如下: 在哪里 粘滞系数由萨瑟兰给出的方程: 无量纲变量定义如下: 变量”~“维同行。

考虑到网格转换后, navier - stokes方程可以转换到系统使用广义坐标: 在哪里和

等等,是电网指标,,,等等。

2.2。有限差分方案和边界条件

1。对流项的5次WENO计划(14]
为了降低损耗的计划,越少耗散Steger-Warming通量分裂方法用于计算,但不常用的耗散Lax-Friedrich分割方法。

2。粘性项的差分格式
考虑到保守的形式的控制方程,使用传统的四阶中央计划两次计算粘性项的二阶导数。

3所示。实施方案的时间
时间方面的基本方法论navier - stokes方程采用显式三阶TVD-type龙格-库塔方案:

4所示。边界条件
绝热,零梯度压力和中性条件用于墙上 实施自由流条件下,使用固定值边界条件和自由参数上边界。前后边界面上的边界条件的方向给出了镜面对称条件。流出边界条件指定为一种基于特性的条件下,它可以处理没有反射输出流。使用以下步骤生成的流入条件。(一)湍流是指从DNS配置文件获得刘和陈15流向速度)(w速度)和分布比例使用当地的位移厚度和自由流速度。(b)随机波动被添加到原始变量,也就是说,,,,,。扰动的形式:,下标“distb”是指干扰,“随机”之间的随机函数的值是0~1,等于0.1,等于2/3。当然,这样流入条件不充分发展湍流,但我们可以把它作为一个弱扰动流入而下游传播。

5。Body-Fitted网格生成
MVG的几何图所示1。为了缓解困难引起的网格生成原始垂直后缘,修改是由边缘下降到70°。图中的其他几何参数是一样的那些由霍顿和巴宾斯基5),也就是说,,= 24°,在那里的高度是MVG和年代是两个相邻的中心线之间的距离MVGs。所以中心线的距离的计算域的边界是3.75根据霍尔顿的实验和巴宾斯基5),比h / 模型的范围从0.3~1。适当的距离后缘控制面积约为19~56或8~19。因此,在这项研究中,MVG的高度被假定为/ 2的水平距离顶MVG坡道角落设置为19.5或9.75。距离结束的斜坡的顶端是32.2896。的起点的距离域顶点的MVG是17.7775。域的高度从10到15和一半域的宽度是3.75。一半的域的几何关系图中可以看到2中心对称平面的平面。整个系统的网格数量××= 128×192×1600。我们试图尽可能使网格光滑和正交(图3)。

2.3。代码验证

1。超音速坡道
图4给出了瞬时数值纹影图像中央平面上,它使用的价值。定性比较,一个实验性的坡道流的照片图中给出了大雷诺数5从实验中获得的Loginov et al。11]。从图片,我们可以观察到分离激波略有下降的角度这是啤酒但几乎相同的坡度角和与反射冲击几乎是一致的(这是在实验的图片更明显);生成复杂的压缩波冲击下边界层的漩涡。

2。超音速MVG
基于实验的纹影照片,巴宾斯基等。7]介绍了波的结构系统,也就是说,第一反射激波、膨胀波系统,和再压缩冲击,如图6。第一个冲击将传入的边界层内弯,因为“马赫数的变化”,以及“第二冲击波将流回水平”。一个微妙的斜”“结构观察到脚再压缩冲击的画面。数值时均流场的纹影照片中央平面呈现在图7。从图所描述的两个冲击波是一种计算。弯曲的主要冲击在墙上可以区分;斜””结构可以找到第二个脚的冲击。表1给出了一个数值和实验结果之间的比较。巴宾斯基的冲击角度测量的实验26.869°第一震惊和21.93°再压缩冲击。相比之下,计算值26.988°第一冲击和24.656°再压缩的冲击。考虑到后缘是70°角下降,不是90°在这项实验中,计算与实验结果表明合理的协议和高度的决议。

3所示。新发现

3.1。发现我:螺旋分,MVG旋涡结构

一对螺旋点的底板和一双MVG(图8ILES)被发现。这些螺旋点表明的上升从墙上表面二次涡对。这些新发现已经证实了UTA油流试验(图9),它显示了积累的油漆。进一步对比图10。

3.2。发现二:新模型的五双涡旋MVG附近

传统的涡结构在MVG描绘在图11巴宾斯基et al。(7),一对反向旋转的主要流向漩涡是由MVG生成,主要位于边界层和旅行下游相当大的距离。二次涡流是坐落在主要的甚至更streamwsie漩涡在合适的条件下可以生成。然而,一种新的模式MVG附近的5双涡管是由我们在图12。两个模型之间的主要区别是关于二次涡结构。有两对二次涡管对应两条螺旋上升点。后两对二次涡管上升,一双新的二级管是由主涡管诱导。当然,还有额外的一双马蹄形漩涡。最近,2010年4月,在德克萨斯大学阿灵顿的实验(UT阿灵顿)把一个视频从顶视图记录MVG石油流动的过程。一双独特的石油积累点被发现在视频中(见实验快照数据9和10)。

3.3。拓扑发现III:表面分离

相比之下,表面油流的照片从实验和限制简化计算给出的数据13和14。这两个人物的拓扑结构本质上是相同的。马蹄涡的分离线,MVG旁边的二次分离线,MVG显然是被计算后的(数据15和16)。这种线是最明显的痕迹实验中发现由于存款的石油。图17提供了一个比较表面拓扑结构的计算和实验。实验中的黑色区域显示没有油流MVG顶面,在计算对应于流动分离。计算和实验获得良好之间的协议。

最初的二次涡管由主涡管底部板和MVG从螺旋分,举起进一步移动下游主(数据18和19)。之后,一双新的二次涡管诱导主涡管(图20.)。

3.4。发现四:动量起源赤字

动量赤字是一个独特的现象在实验中首次发现的福特和巴宾斯基(6),后来证实了计算Ghosh et al。8和李et al。10),如图21在不同的部分,使用平均流向速度。机制的赤字,巴宾斯基认为这是MVG后,李只提到“两个旋涡的管合并在一起来创建一个更大的管里面有两个反向旋转的漩涡”。什么是财政赤字流结构的关系吗?低速流来自什么?现有的解释没有提供一个明确的关于赤字的形成机制。

为了调查赤字的起源,是由启发式分析调查具体的流线是由特定截面的动量赤字。首先,MVG后横截面被选中作为一个参考平面,如图22,和动量赤字在飞机上使用的轮廓显示瞬时流向速度,它出现在一个绿色的圆形区域。接下来,我们把一些种子周围的边界赤字和财政赤字的区域内。然后画出三维流线从种子开始后退和前进的方向。因为种子周围或定位在赤字,落后的流线分布的定性反映了赤字的起源。从图可以看出22(a)所有落后的流线旋转的主要流向涡,这表明赤字主要是由于漩涡的形成;(b)所有向后流线来自MVG的上表面,这表明财政赤字的主要来源是上游低速边界层的脱落,但不是边界层流动MVG MVG或以后。

3.5。发现V:变形表面,k - h不稳定性,MVG涡环的一代

3.5.1。2 d Kelvin-Helmoholz不稳定

二维不稳定引起的剪切层流入干扰和配对形成涡环(图是我们之前得到的计算23)。通常被称为Kelvin-Helmholtz动荡,这被描述为非粘性的不稳定。

3.5.2。变形表面3 d MVG背后流

为了探索涡环产生的机理,给出平均流向速度的分布在图24沿着正常的网格线在中心平面。流向位置的线 ,6.7,10,11,是流向测量MVG顶点的距离。行对应的下降势头赤字。的结果,可以清楚地看到,至少有两个高剪切层在中央平面上:一个是位于倾斜的上边缘,另一个是位于较低的优势。在剪切层内,至少有一个拐点。为了演示拐点的存在,二阶导数w/(w速度和回水区吗y是正常的方向)的计算,和线的结果吗 6.7是绘制在图25作为一个例子。拐点的存在和信件在上下剪切层如下两个虚线相交的流向速度的分布及其二阶导数。

3.5.3。涡环的一代

基于上述分析,可以得出结论,拐点的存在(表面3 d)剪切层导致流动不稳定和产生涡辊由k - h不稳定性在圆柱坐标系统。因此,涡环一代的机制应该是k - h不稳定性。剪切层的稳定的丢失会导致涡流的集会,在环状的结构(图3 d视图26)。在图中26日(b),是一个特定的应力张量的特征值,其iso-surface通常是用来描述涡面。上剪切层的强度似乎比低的剪切层(图26)。

在图27另一个定性检查剪切层和k - h不稳定性是由使用瞬时流场。图,背景在中央平面和高空飞机是彩色的价值流向速度,这两架飞机中的绿色区域表示动量赤字。在中央平面上,压力cloud-map轮廓叠加在背景。图中显示的蓝色圆结构,表明环状的漩涡减少飞机的核心,位于边界的赤字。这样的职位是高剪切层的存在完全相同的地方。

在图28,给出了瞬时数值纹影照片在中央平面。从图中,我们可以看到许多涡环出现在圆形的形状;后被告知的预测涡环,同样的实验UT阿灵顿试图验证发现的一些技术。他们使用粒子图像测速仪(PIV)技术和丙酮蒸气屏幕可视化跟踪流的运动,特别是激光表的flash是用来提供当时的曝光水平微秒。在图29日中心,一个典型的图像平面上提出了利用PIV和丙酮蒸汽(13]。显然表明,流场中涡环链存在MVG后!这些结构定性相似的数据27和28。

3.6。发现六世:减少Ring-Shock分离区交互

3.6.1。新的机制的分离区MVG减少

MVG传统观念是MVG产生流向涡内边界后,将低能量液体从底部和高势头流体边界层的流动分离引起的冲击将减少由于更高的剪切。然而,我们莱斯只是给出了一个完全不同的机制可以被描述为MVG产生涡环和涡环破坏冲击并减少边界层分离泡沫大小,由分离诱发泡沫和反射冲击。

图30.显示一个图形对超音速坡道周围的激波结构,包括泡沫分离冲击和冲击的反映。边界层分离是由于强烈的逆压力梯度引起的冲击。许多MVG所产生的涡环和对流传热下游斜坡。环首先破坏分离泡沫冲击和分离泡沫看起来坏了(图31日)。涡环是非常稳定和继续下游摧毁反射激波如图32。经过许多环不断朝着反射冲击,冲击尾巴消失了,分离面积大幅减少(图33)。

操作。Shock-Vortex环相互作用

为什么涡环机制可以摧毁涡环的冲击被认为是低压力线在环可以摧毁的冲击。另一方面,戒指有一个高压区域附近的外环和环的中心,这将改变冲击位置。快速的旋转环可以冲击表面变形凹凸。

3.6.3。稳定的涡环的结构

冲击是非常强大和压力梯度是非常大。我们使用两个数字纹影(图34),技术(图35)三维可视化和2 d可视化中央平面上的方向。涡环被发现后非常稳定和维持他们的形式不变传递弱分离泡沫冲击和强坡道冲击。

3.7。发现七:三维结构是否冲击

在图36波的空间结构系统是由瞬时截面轮廓的压力。从第一部分图36(一个)波系统发现,MVG上方的主反射激波和膨胀波来自MVG的边缘。其余部分显示一个arclike再压缩激波的结构,位于后面第一个反射激波。弧的规模持续增长,而下游移动。曲线的形状再压缩冲击激波意味着再压缩的功能是使扩张流满足“虚拟”边界条件由漩涡回水区,至少在初期形成的冲击波。详细的调查表明,arc-like冲击的头和脚分开在最初的阶段(见图36 (b))。他们开始连接,形成一个完整的弧形曲线在一定的下游位置,如图36 (c)。

3.8。发现八世:下降后缘角的影响

比较研究是由MVG流和在MVGs不同的角下降,也就是说,= 70°和= 45°。数值研究发现(见图37)以下(1)两种情况的基本结构是相似的,比如波系统,分离模式,动量赤字,涡环。下降的影响角度不带来的结构性差异,而差异存在于流的细节。(2)下降的角度越小= 45°使漩涡靠近墙,包括最初的流向涡层涡环。这应该是更有利的流控制。然而,时间上的定量分析数据在下游不表现出对边界层的质量显著改善。

4所示。结论

下面的新的发现和新的机制自2009年以来已经由隐式莱斯。大多数的这些新发现UTA实验于2010年晚些时候被证实。(1)详细的流动结构(拓扑)MVG和螺旋点被发现。然后MVG周围的新的5双涡管模型。(2)发现势头赤字起源,不仅造成流通过蘑菇明智的漩涡,但同时,主要粘度MVG和墙面。(3)拐点(表面3 d)赤字区域内被发现。(4)Kelvin-Helmholtz-type不稳定是由动力引起的赤字。(5)所产生的涡环K-H-type MVG后不稳定。(6)减震环相互作用。(7)MVG机制减少分离是由于环冲击互动,不仅在VG或MVG混合传统的解释。(8)环是唯一形式的漩涡内流体场和永远不会分解。(9)结构是否冲击。(10)后缘MVG下降角度的影响进行了研究。

所有这些新发现可能非常重要的常规VG,亚音速流,流量控制,流过渡和湍流的研究。

命名法

:	马赫数
:	基于动量厚度雷诺数
:	微坡道旋涡发生器边长
:	MVG高度
:	MVG半角
:	MVG下降角的后缘
:	不可压缩边界层公称厚度
*:	不可压缩边界层位移厚度
:	不可压缩边界层动量厚度
:	不可压缩边界层形状系数*/
, , :	高空、正常和流向坐标轴
, , :	高空、正常和流向速度
:	皮托压力
:	皮托压力恢复系数
公关:	Prandt数量
跑:	Reynolds-averaged n - s
莱斯:	大涡模拟
域名:	直接数值模拟
WENO:	加权本质上的非计划
TVB:	全变差有界
SBLI:	激波边界层的相互作用
VG:	涡流发生器
MVG:	Microramp VG。

下标

:	墙
:	自由流
0:	代表在入口的位置,如果没有特别说明。

确认

这项工作是由AFOSR格兰特fa9550 - 08 - 1 - 0201由约翰·Schmisseur博士监督。作者感谢德州优势计算中心(TACC)提供计算时间。作者感谢陆弗兰克博士提供一些实验性的快照。