激波诱导分离的非定常效应

第1章UFAST项目 　　l.1项目简介 　　UFAST项目的总体目标是根据航空工业的研发需求，推进激波/边界层干扰非定常、强非线性问题的实验和理论研究。欧盟开展的其他项目也曾探索过跨/超声速流动中的激波/边界层干扰问题，但并没有对其非定常特性开展深入研究。近年来，随着风洞实验技术和数值方法的持续发展，具备了对该问题开展系统研究的能力。 　　机翼、喷管及进气道等处的激波/边界层干扰是工业部门*关心且亟待解决的关键问题，这几类构型作为基础研究构型，可以将其研究成果拓展至更复杂的构型。此外，应用合成射流、涡流发生器等方法对激波/边界层干扰及其非定常性开展流动控制研究。 　　UFAST项目将风洞实验和数值模拟方法相结合，对两类结果相互验证，相互补充。数值模拟方面，应用RANS/URANS和RANS-LES混合方法，加深对激波主导的非定常流动中湍流模拟的认识;应用LES方法解析流场中的大尺度相干结构，组成项目的数值模拟能力体系。 　　1.2项目目标 　　激波/边界层干扰是高速流动中不可避免的空气动力学问题，在跨/超声速的内外流场中，常导致边界层分离，造成结构损伤。当超声速进气道内发生激波/边界层干扰时，可能导致发动机进气道效率降低。 　　UFAST项目研究的主要科学问题有如下几种。 　　（1）来流边界层中，与激波振荡不存在显著内在联系的高频非定常特性。 　　（2）激波振荡诱发的全流场非定常流动。 　　（3）由外界扰动或涡结构脱落引起的分离泡“呼吸”过程。 　　（4）由于激波作用生成的湍流结构（激波作用下的湍流生成和强可压缩性效应）。 　　（5）分离区下游（确切地说是再附区下游）边界层的再发展，其特征是涡结构的相互作用及激波运动引起的低频非定常流动。 　　（6）声波强耦合生成的各种非定常流动。 　　激波与湍流流场中的涡结构相互作用，生成更大特征尺寸的涡，这些大涡结构向干扰区下游传播并成为宽频噪声的主要来源之一。通过对这种非定常和/或大尺度相干涡主导的流动进行模拟，对流动非相似性和非平衡性有了新的认识，进一步，对强分离区中与非定常性和可压缩效应相关的湍流尺度的变化有了更好的理解。 　　但是，针对跨声速流场中的非定常流动，适用于不可压缩流动的湍流模型无法准确预测激波振荡等非定常现象。应用DES来进行跨声速机翼绕流时，需要针对非定常性和可压缩性修改湍流尺度参数。 　　总的来说，URANS、LES和RANS-LES混合方法等数值方法的预测能力亟待提高，需要从如下方面提高认识与相关能力：①针对非定常特性开展风洞实验;②改进数值模拟方法;③提高对复杂流动的认识。 　　为了得到更具通用性、普适性的研究结论，需要对几类激波主导的流动构型开展理论、实验与数值模拟研究。UFAST项目倡导各领域各机构的专家学者开展紧密合作，共享资源与研究成果，共同实现研究目标。在项目的实施过程中，各参研单位的研究工作存在一定程度的交叉，有利于对研究成果进行对比验证，并形成可靠的数据库。 　　项目的**项目标是形成一个包含非定常流场结构与激波振荡等信息的实验数据库，流动速域范围为跨声速到超声速（马赫数2.25），构型包括机翼、喷管、弯管/进气道等。 　　研究工作分为“基本组”（代号WP-2）和“流动控制组”（代号WP-3），后者旨在为工业部门提出有效的流动控制方法与技术建议，降低非定常激波/边界层干扰诱发的潜在风险，如调控非定常性、降低噪声及缓解结构疲劳等。流动控制技术主要基于对大涡的控制原理，如多孔壁面、涡流发生器、合成射流和电流体/磁流体激励器等。 　　在UFAST项目中，注重实验和数值工作之间的紧密结合，基于数值结果对实验的几何构型或流动参数进行调整。 　　项目的第二项目标，是发展数值模拟方法与数值模拟技术，采用的数值方法包括RANS-URANS方法（代号WP-4），LES方法和RANS-LES混合方法（代号WP-5）、在项目开展过程中，应改进数值模拟方法与技术，并探究不同方法的适用范围。UFAST项目力争为激波/边界层干扰的数值模拟提供有效的指导。 　　项目的第三项目标，是加强对各类激波/边界层干扰流动的理解。获得关于激波/边界层干扰非定常特性的新认识，如低频涡结构脱落与激波运动之间的耦合，以及激波处端流的放大/衰减效应等，并提出^^系列尚不能完全解释的科学问题，包括以下几类。 　　（1）激波/边界层干扰流场非定常性的本质是什么？ 　　（2）自由来流边界层中的扰动与非定常流场之间是什么关系？ 　　（3）可压缩性和亚声速湍流的作用机制是怎么样的？ 　　（4）激波脚附近的低频信号与激波振荡之间的关系？ 　　总的来说，在UFAST项目的牵引下，所有参研单位与科研人员都做出了重要贡献，相关成果汇总在如下两本著作：UFAST　Experiments—Data　Bank，Unsteady　Effects　in　Shock　Wave　Induced　Separation。 　　1.3项目参与单位 　　UFAST项目由来自10个欧洲国家（8个欧盟成员国、1个欧盟候选国，以及俄罗斯）的18个组织联合开展，具体见表1.1。除了项目参研单位外，还成立了由4个工业部门（劳斯莱斯公司德国分部、达索飞机制造公司、阿莱尼亚宇航公司和ANSYS公司）组成的“观察小组”，该小组主要参与UFAST项目会议并对研究结果进行分析与应用。 　　1.4项目结构 　　UFAST项目的研究工作主要分为两部分：一是针对激波/边界层干扰及其流动控制开展实验研究，整理形成数据库;二是采用URANS方法、RANS-LES混合方法和LES方法等开展数值模拟研究，并评估这些方法的适用性。 　　针对三种基本构型开展非定常激波/边界层干扰风洞实验与数值模拟研究，见图1.1。 　　图1.2展示了UFAST项目的研究内容结构，每行为不同的研究模块，如“基础实验”、“激波边界层干扰流动控制实验”、“RANS与URANS数值模拟方法”、“LES方法与RANS-LES混合方法”等;左起**列为不同研究模块的序号、主要工作及负责人；其余三列为针对三种构型开展的问题研究。 　　在“基础实验”中，使用字母来标记不同的构型和流场参数;在“流动控制组”中，使用数字标记不同的流动控制方法。因此，基于每一个实验的字母和数字，可以识别研究单位及对应的具体构型、流场条件与流动控制装置。相似地，在RANS-URANS数值模拟方法、LES方法与RANS-LES混合方法研究中，通过这些标签能够索引对应的实验工况。 　　1.5组织架构 　　为了更好地促进项目内部交流，UFAST项目中根据流动构型和研究内容将参研单位进行了分组，如图1.3所示。