類HTV-2控制翼誘導(dǎo)高超聲速層流分離數(shù)值研究

0 引 言

臨近空間高超聲速飛行器是世界各國的發(fā)展熱點(如美國的HTV-2)，此類飛行器一般具有高升阻比、面對稱外形，可在臨近空間中高層高馬赫數(shù)長時間持續(xù)飛行[1]，飛行器表面繞流一般處于層流狀態(tài)。在高超聲速來流條件下，控制翼等凸起部件(如體襟翼、Flap舵)會造成局部流場中激波與邊界層強的相互干擾[2]，在這些復(fù)雜的干擾流場中通常伴隨著局部流動分離。

層流分離干擾范圍大，抗擾動能力弱，對飛行環(huán)境變化敏感[3]。形成的復(fù)雜流場將改變飛行器表面

的氣動力/氣動熱分布[4]，并伴有明顯的非定常效應(yīng)，對飛行安全可能造成不利影響。因此預(yù)示高超聲速飛行器控制翼層流分離，確定分離范圍和流動特性，是一個重要的研究問題。以往研究多關(guān)注于飛行器局部簡化外形(如平板/三維楔模型)的分離流動[5-11]，且大多為湍流分離，而針對典型高超聲速飛行器控制翼誘導(dǎo)層流分離的研究則相對較少[2,12]。

本文針對類HTV-2高超聲速飛行器控制翼誘導(dǎo)的局部層流分離特性開展數(shù)值研究。主要研究工作為：數(shù)值模擬類HTV-2控制翼誘導(dǎo)層流分離流動特性，飛行器前體外形對其誘導(dǎo)分離的影響作用，以及控制翼誘導(dǎo)分離隨偏轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律。

1 數(shù)值方法與研究模型

1.1 數(shù)值方法

在曲線坐標(biāo)系ξηζ下，采用完全氣體的三維可壓縮NS方程，其形式為：

(1)

對控制方程無量綱化，采用有限體積法進行數(shù)值求解。高超聲速層流分離的模擬精度對數(shù)值黏性十分敏感[2-3]，根據(jù)以往研究經(jīng)驗，對流項采用Roe格式，單元界面左右變量重構(gòu)選用Muscl格式和minmod限制器，黏性項采用中心差分格式，時間離散選擇LU-SGS隱式方法推進。

針對類HTV-2控制翼誘導(dǎo)的局部層流分離，課題組在中國航天空氣動力技術(shù)研究院高超聲速風(fēng)洞FD-07中開展了相關(guān)實驗研究工作。本文數(shù)值模擬采用的來流條件與風(fēng)洞實驗一致，即M∞=8、P0=5 MPa、T0=750 K、無滑移等溫壁Tw=300 K。

1.2 模型及網(wǎng)格

參照HTV-2高超聲速飛行器的外形，本文構(gòu)造了類HTV-2計算模型，結(jié)合風(fēng)洞實驗，對其控制翼誘導(dǎo)層流分離進行模擬。圖1給出了計算模型及全模網(wǎng)格拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

高超聲速層流分離數(shù)值模擬對網(wǎng)格質(zhì)量要求高，特別是邊界層、分離點等區(qū)域必須具有較高分辨率。為此，本文構(gòu)建了多套網(wǎng)格進行網(wǎng)格收斂性分析，并以實驗所得控制翼誘導(dǎo)局部層流分離油流圖譜作為參考依據(jù)，發(fā)現(xiàn)半模網(wǎng)格量1.3×107,第一層網(wǎng)格間距1×10-7m，數(shù)值模擬所得控制翼附近極限流線圖譜和實驗結(jié)果吻合較好(見圖2)。

基于此，可以認(rèn)為所采用的網(wǎng)格布局滿足此類流動的數(shù)值模擬需求，在以下所有針對類HTV-2高超聲速飛行器控制翼誘導(dǎo)局部層流分離數(shù)值模擬中，網(wǎng)格拓?fù)洹?shù)量以及第一層網(wǎng)格間距保持不變。

2 計算結(jié)果及分析

2.1 類HTV-2層流分離流場結(jié)構(gòu)

來流條件與實驗一致，即M∞=8、P0=5 MPa、T0=750 K、無滑移等溫壁Tw=300 K，翼面偏轉(zhuǎn)角δ=20°，攻角和側(cè)滑角為0°，圖3給出了數(shù)值模擬所得類HTV-2迎風(fēng)面控制翼誘導(dǎo)分離極限流線圖譜。

由圖3，由于控制翼對來流的阻擋、出現(xiàn)激波與邊界層的相互干擾，波后高壓從邊界層亞聲速區(qū)前傳，由此逆壓梯度誘導(dǎo)較大范圍分離，三維效應(yīng)明顯：1) 形態(tài)呈扁長尖形；2) 其內(nèi)存在一對反向?qū)ΨQ旋渦。受前體影響，流動從兩側(cè)向中間聚攏，抑制分離橫向發(fā)展，轉(zhuǎn)而向前推進，分離區(qū)形態(tài)呈扁長尖形；兩側(cè)分離線與控制翼前緣兩端相交，分離區(qū)內(nèi)流體從兩側(cè)流出受阻，螺旋向上，形成反向?qū)ΨQ旋渦，典型占位三維空間流動如圖4所示。

2.2 前體形狀對層流分離的影響

類HTV-2控制翼誘導(dǎo)層流分離區(qū)呈扁長尖形，且其內(nèi)存在一對渦結(jié)構(gòu)，和典型矩形平板/三維楔的結(jié)果存在明顯差異。為進一步分析類HTV-2前體形狀對誘導(dǎo)分離的影響，以類HTV-2外形為基礎(chǔ)，逐步構(gòu)造3種前體外形(控制翼不變，偏轉(zhuǎn)角δ=20°)。3種前體外形分別為：矩形平面前體；近三角尖形平面前體；近三角尖形曲面前體(即類HTV-2)，對稱中線從頭部往后抬升，兩側(cè)低于中線。

給定來流條件M∞=8、P0=5 MPa、T0=750 K，完成數(shù)值計算并整理結(jié)果，對比3種前體下物面極限流線(圖5)，可見前體形狀是導(dǎo)致類HTV-2控制翼誘導(dǎo)層流分離呈扁長形態(tài)的重要影響因素。

當(dāng)前體為矩形平面，未分離前流向均勻，翼面阻擋誘導(dǎo)分離，其形態(tài)和平板/三維楔相似，橫向飽滿，分離區(qū)內(nèi)流體從兩側(cè)流向后體，極限流線如圖5(a)所示；當(dāng)前體為近三角尖形平面，兩側(cè)壓力較高，產(chǎn)生橫流效應(yīng)，流動向中線聚攏，分離橫向發(fā)展受到抑制，進而繼續(xù)前推，分離距離較矩形平面長，極限流線如圖5(b)所示；當(dāng)前體為類HTV-2外形，由于中線從頭部向后體抬升并高于兩側(cè)緣，橫流效應(yīng)進一步增強，分離區(qū)被推至控制翼前緣兩端附近，極限流線如圖5(c)所示。

前體形狀是導(dǎo)致類HTV-2控制翼誘導(dǎo)層流分離呈扁長形態(tài)的重要影響因素。三角尖形前體使得在來流作用下兩側(cè)緣壓力高于中線區(qū)域，中線從頭部向后體抬升并高于兩側(cè)緣的外形變化，促進了流動從兩側(cè)向中線聚攏，抑制了分離區(qū)橫向發(fā)展，進而形成扁長尖形的分離區(qū)。

2.3 不同偏轉(zhuǎn)角控制翼誘導(dǎo)分離特性

在前體影響下，類HTV-2控制翼誘導(dǎo)分離較以往研究存在明顯差異，為研究不同偏轉(zhuǎn)角控制翼誘導(dǎo)分離特性，設(shè)計偏轉(zhuǎn)角δ=5°、10°、15°、20°、25°五種狀態(tài)。給定來流條件M∞=8、P0=5 MPa、T0=750 K，壁面溫度Tw=300 K。圖6給出了各偏轉(zhuǎn)狀態(tài)下控制翼附近極限流線。對比分析，隨著偏轉(zhuǎn)角增加，流動分離開始形成于控制翼前緣中心位置；隨著偏轉(zhuǎn)角繼續(xù)增大，分離范圍從前緣中心向外擴張，分離距離前推，分離范圍增大，分離形態(tài)向扁長尖形發(fā)展，分離區(qū)內(nèi)存在一對反向?qū)ΨQ旋渦。在δ=25°時，翼面阻擋作用過強，分離區(qū)內(nèi)部流體除了隨渦向上旋轉(zhuǎn)被來流帶走，還有部分直接從控制翼兩側(cè)流向后體。

圖6(a)顯示了不同于以往平板/三維楔層流分離的流動現(xiàn)象，類HTV-2前體外形下控制翼即使在5°偏轉(zhuǎn)角下依然誘導(dǎo)形成小范圍分離。針對平板/三維楔的研究表明[4-6,13]，高超聲速層流流態(tài)壓縮拐角誘導(dǎo)初始分離角在10°附近，而本文即使在5°偏轉(zhuǎn)角依然誘導(dǎo)產(chǎn)生分離，類HTV-2前體外形下其控制翼誘導(dǎo)初始分離角應(yīng)該比5°更小。引起這種現(xiàn)象的原因在于受到前體影響，控制翼前的流體從兩側(cè)向中心流動，使得控制翼前的逆壓梯度增大，導(dǎo)致在小偏轉(zhuǎn)

(a)δ=5° (b)δ=10° (c)δ=15° (d)δ=20° (e)δ=25°

圖6不同偏轉(zhuǎn)角下控制翼附近極限流線
Fig.6Surfacelimitingstreamlineswithdifferentanglesofdeflection

角情況下依然產(chǎn)生分離。

對于這一現(xiàn)象，課題組在風(fēng)洞實驗中，通過油流顯示技術(shù)也得到類似結(jié)果。圖7給出了類HTV-2δ=5°時控制翼誘導(dǎo)小范圍分離的油流圖譜，進一步證實在類HTV-2前體外形下，其控制翼即使在小角度下依然誘導(dǎo)產(chǎn)生流動分離，其初始分離角相對于常見簡化外形(如矩形平板/三維楔)要小。

(a) 表面極限流線 (b)實驗油流圖譜

圖7控制翼誘導(dǎo)層流分離(δ=5°)
Fig.7Laminarseparationinducedbycontrolsurface

3 結(jié) 論

本文數(shù)值模擬了類HTV-2控制翼誘導(dǎo)的局部層流分離流動特性，分析了前體形狀對控制翼誘導(dǎo)分離的影響作用，并給出了控制翼誘導(dǎo)層流分離隨偏轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律。主要結(jié)論如下：

1) 類HTV-2控制翼誘導(dǎo)層流分離形態(tài)呈扁長尖形，分離區(qū)內(nèi)存在一對反向?qū)ΨQ旋渦；

2) 類HTV-2前體形狀是造成控制翼誘導(dǎo)扁長形層流分離流動的重要影響因素，中線從頭部向后體抬升并高于兩側(cè)緣，促進了流動從兩側(cè)向中線聚攏，抑制了分離區(qū)橫向發(fā)展，形成扁長分離區(qū)；

3) 受類HTV-2前體橫流效應(yīng)影響，即使在5°小偏轉(zhuǎn)角下控制翼依然誘導(dǎo)分離，其初始分離角相對于常見簡化外形(如矩形平板/三維楔)要小。

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