高超声速边界层过渡与热负荷
流体动力学
2024-07-03 v1 计算物理
摘要
高超声速边界层过渡使用高阶方法进行直接数值模拟(DNS)在文献中鲜有探索，尽管已有少数参考文献。在高超声速条件下，实验数据稀缺，而几乎所有现有的高超声速代码都采用低阶精度，这可能导致在长时间积分和高雷诺数条件下产生错误结果。本文我们聚焦于从 laminar 到 turbulent 流态的过渡，其中 Nusselt 数可能是turbulent regime中Nusselt 数的5倍或更多。必须使用真实的化学模型准确地模拟高超声速流动条件才能正确预测表面热通量。在本研究中，我们对平板进行高超声速边界层过渡模拟，以计算壁面上的热应力和剪切应力。该域以可压缩边界层方程的laminar Blasius 解进行初始化。通过从壁面薄条带上的吸气和呼气诱导湍流。在入流和出流边界处定义 sponge 区域，以消除边界条件反射导致的解污染。在跨向方向上施加周期边界条件。所采用的数值方法是域内采用六阶紧凑有限差分配合结构化笛卡尔网格上的四阶 Runge-Kutta 时间积分方案，使用错位变量。基本有限差分代码可进行非平衡高超声速流动的模拟。数值方案通过近似反卷积模型(ADM)和人工扩散系数的稳定化。我们考察了非平衡化学对高超声速边界层非线性不稳定性生长的影响。我们还量化了Mach 10下边界层从 laminar 到 turbulent 过渡期间的热负荷。
引用
@article{arxiv.2407.02311,
title = {Hypersonic Boundary Layer Transition and Heat Loading},
author = {Ahmad Peyvan and Luis Bravo and Anindya Ghoshal and Olaf Marxen and George Karniadakis},
journal= {arXiv preprint arXiv:2407.02311},
year = {2024}
}