[论文解读] Numerical and Experimental Studies on the Separation Topology of the MVG Controlled Flow at M=2.5

Li Qin, Yonghua Yan+4 more|arXiv (Cornell University)|Feb 24, 2014

Computational Fluid Dynamics and Aerodynamics参考文献 3被引用 4

一句话总结

本研究采用大涡模拟（LES）结合五阶带宽优化的加权本质无振荡（WENO）格式，在风洞实验验证下，研究了马赫数为2.5时，通过多向量发生器（MVG）控制的激波-边界层相互作用的分离拓扑结构。关键发现是首次通过计算与实验确认了流场中一对螺旋点的存在，从而提出了用于超音速流动控制的新颖七涡管模型。

ABSTRACT

In this paper, the implicitly implemented LES method and fifth order bandwidth optimized WENO scheme are used to make comprehensive studies on the separation topology of the MVG controlled flow at M=2.5 and Reθ=5760. Experiments are also made to verify the prediction of the computation. Analyses are conducted on three categories of the topology: the surface separation, cross-section separation and the three dimensional structure of the vortices. A complete description about the separation topology and a series of new findings are obtained. Among them, a pair of spiral point is first predicted by the computation and verified by the experiment. A corresponding new vortex model with 7 vortex tubes is presented also.

研究动机与目标

• 分析高马赫数下MVG控制的跨音速/超音速流中复杂的分离拓扑结构。
• 解析激波-边界层相互作用中三维涡结构与表面分离模式。
• 通过风洞试验数据验证数值模拟对流动拓扑结构的预测结果。
• 识别并表征高速湍流中新型涡结构，如螺旋点。

提出的方法

• 采用隐式实现的大涡模拟（LES）方法，以解析非定常湍流结构。
• 采用五阶带宽优化加权本质无振荡（WENO）格式，实现高分辨率空间离散化。
• 实施多向量发生器（MVG）以控制激波-边界层相互作用。
• 开展风洞实验，验证数值模拟对流动拓扑结构的预测结果。
• 分析表面分离、截面流场模式及三维涡拓扑结构。

实验结果

研究问题

• RQ1 MVG在马赫数2.5的超音速流中如何改变分离拓扑结构？
• RQ2 在MVG控制的流场中，特别是在分离区域附近，形成了怎样的三维涡结构？
• RQ3 流场中的螺旋点能否被数值预测并经实验验证？
• RQ4 MVG诱导的扰动与激波-边界层系统相互作用后，会涌现出何种新型涡模型？

主要发现

• 首次通过LES模拟预测并经实验测量确认了流场中一对螺旋点的存在。
• 实验验证表明，分离线形态与涡结构与数值预测结果具有良好的一致性。
• 提出了一种由七个独立涡管组成的新型涡模型，以解释MVG控制流中观察到的复杂拓扑结构。
• 研究揭示了复杂的三维涡相互作用，包括螺旋形与涡旋结构，这些结构显著影响流动分离。
• 高阶WENO格式与LES的结合，能够精确解析对分离动力学至关重要的细观湍流结构。
• 研究结果为高超音速航空领域中主动流动控制策略的改进提供了基础。