适用于大规模并行计算的当地化超声速边界层横流转捩模式

Simulation and prediction of boundary layer transition are key basic problems in aerodynamic and aerothermal design of hypersonic vehicles. Moreover, crossflow instability transition is one of the most challenging topics among the field boundary layer transition simulation. However, until now there is still no well-developed large scale parallel CFD compatible crossflow instability transition model that could be applied to aerodynamic force or aerodynamic heating supersonic flight vehicles. To address this problem, based on research on incompressible boundary layer crossflow transition, a solution of local compressible boundary layer crossflow transition criteria is proposed. The solution is, first formulate shape factor as function of pressure gradient and inviscid Mach number though analysis of semi-similarity boundary solution, then calibrate the correlation between critical helix Reynolds number and shape factor with experiment data. Then, the resultant local crossflow transition criteria is coupled with existing compressible boundary layer transition model in order to build a model that could simulate the first mode, Mack second mode, separate bubble and cross flow instability transition. Taking the realistic difficulty of lacking of experiment data about hypersonic flight vehicle into consideration, the parameter sensitivity study is arranged. So that the connections between model parameters could be revealed and a solid base is set for future improvement of the transition model.

边界层转捩的模拟和预测是超声速和高超声速飞行器气动力和气动热设计中的关键基础问题。横流转捩又是其中最具挑战性的方面之一。目前尚无成熟的适用于大规模并行CFD计算的当地化横流不稳定转捩模式，可以用于超声速飞行器的气动热和气动力评估。针对这一问题，基于不可压缩边界层横流转捩模式的研究成果，提出首先通过分析可压缩边界层准相似解得到形状因子与压力梯度及无粘马赫数的定量关系，然后通过实验标定临界转捩螺旋度雷诺数与形状因子的关系，从而实现可压缩横流转捩判据当地化的方案。然后，将当地化横流转捩判据耦合于现有可压缩边界层转捩预测模式，构造可以模拟第一模态、Mack第二模态、分离泡及横流失稳的转捩模式。考虑到当前高超声速飞行器实验数据缺乏的实际困难，开展转捩模式参数敏感性研究，揭示模式参数之间的关联规律，为后续模式改进奠定基础。

边界层转捩的模拟和预测是超声速和高超声速飞行器气动力和气动热设计中的关键基础问题。横流转捩又是其中最具挑战性的方面之一。本项目开发了适用于大规模并行CFD计算的当地化横流不稳定转捩模式，并用于超声速飞行器的气动热和气动力评估。完成的主要工作有：1）推导建立三维可压缩边界层相似性方程，通过有限差分方法进行离散，通过牛顿迭代进行全隐式求解，可以快速得到边界层相似性方程在不同当地后掠角，压力梯度、壁面温度条件下的边界层速度、温度分布，求解效率显著高于常规打靶法。2）基于不可压缩边界层横流转捩模式的研究成果，首先通过分析可压缩边界层准相似解得到形状因子与压力梯度及无粘马赫数的定量关系，然后通过实验标定临界转捩螺旋度雷诺数与形状因子的关系，从而实现了可压缩横流转捩判据当地化。3）将当地化横流转捩判据耦合于现有可压缩边界层转捩预测模式，构造出可以模拟第一模态、Mack第二模态、分离泡及横流失稳的转捩模式。转捩模型主要由层流脉动动能和间歇因子两个输运方程构成并与Menter的剪切应力输运湍流模型耦合。4）新的转捩模型首先在两个轴对称锥体算例中验证了第一和第二模态的模化效果良好。然后选取HIFiRE-5在高低湍流度两种来流条件下以及3°攻角直圆锥算例，验证了本项目模型在横流主导转问题的预测效果。计算结果显示本项目转捩模型预测的转捩位置与实验结果吻合良好。