[发明专利]一种高超声速钝前缘绕流湍动能入口边界设置方法

权利要求书

1.一种高超声速钝前缘绕流湍动能入口边界设置方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1，计算基础流场，获取定常基本流场变量；

S2，利用数值模拟系统进行扰动波直接模拟，获取非定常流场变量ϕ；

S3，分析流场得到扰动场ϕ'，并获取湍动能分布特征；

在步骤S3中，当扰动传播至整个流场形成周期解后，利用步骤S2获取的瞬时非定常流场变量ϕ减去步骤S1获取的定常基本流场变量得到扰动场ϕ'，通过对脉动量的傅里叶频谱分析，获取流场中扰动波演化和分布规律；根据脉动速度换算湍动能k，获取湍动能分布规律

其中，k为湍动能，u'为x向速度脉动，v'为y向速度脉动；

S4，设置湍动能入口边界；

在步骤S4中，根据步骤S3中计算湍动能，选择钝前缘下游位置，沿壁面法向设置湍动能入口边界，按照步骤S3中结果提取指定湍动能入口边界的物理量，根据RANS和DNS计算自由流湍动能的比值线性放大指定位置处的湍动能值，并设置RANS方程中k值，将其固定，不随流场的时间推进而改变；

其中，为流体密度，为层流粘性系数，为模型系数，为湍流粘性系数，为粘性应力，为应变率，为模型系数，为湍流耗散率，下标t表示湍流，下标j表示计算维度，下标i表示空间维度，x_j表示空间方向坐标，当j取1，2，3时，对应的x_j表示x,y,z三个空间方向坐标；

S5，计算湍流/转捩。

2.根据权利要求1所述的一种高超声速钝前缘绕流湍动能入口边界设置方法，其特征在于，在步骤S1中，建立计算域，设定边界条件，采用数值计算平台，利用二维Navier-Stokes方程为控制方程，展开流动计算，计算得到没有施加扰动的基础流场解，获得流场空间区域的密度、速度、温度与压力信息。

3.根据权利要求1所述的一种高超声速钝前缘绕流湍动能入口边界设置方法，其特征在于，在步骤S2中，基于步骤S1获取的基础流场，开展自由流扰动波的非定常传播演化过程的直接数值模拟，获取流场中扰动波特征及湍动能分布。

4.根据权利要求1所述的一种高超声速钝前缘绕流湍动能入口边界设置方法，其特征在于，在步骤S5中，基于RANS方法结合包含湍动能的湍流模型/转捩模型进行湍流/转捩计算，获得基于准确湍动能入口边界的湍流/转捩模型计算结果，所述计算结果包括全计算域的密度、温度和速度流场信息，获取扰流物体表面的Cf分布或热流分布。

5.根据权利要求2所述的一种高超声速钝前缘绕流湍动能入口边界设置方法，其特征在于，在步骤S1中，在无扰动、无体积力与外部热源的情况下，采用的控制方程具体表示如下：

其中分别是密度、x方向速度、y方向速度、z方向速度和单位质量气体总能量， 分别为不同方向的粘性应力分量，分别为x和y方向的热流，为压力，Q表示守恒变量，f和g分别表示x和y向矢通量，并采用不小于5阶精度的高阶精度计算格式，以及能够分辨流场中扰动波尺度的网格，计算得到没有施加扰动的基础流场。

6.根据权利要求3所述的一种高超声速钝前缘绕流湍动能入口边界设置方法，其特征在于，在步骤S2中，在对流场进行扰动传播模拟时选用声波扰动，考虑二维平面声波：

声波振幅满足如下关系：

其中，无量纲波数，是一小量，为扰动波振幅参数，为扰动波无量纲圆频率；快、慢声波：，“+”为快声波，“−”为慢声波，为自由来流马赫数；自由流声波参数：振幅，频率f = 100kHz；为x方向速度脉动幅值，为压力脉动幅值，为y方向脉动幅值；

通过在计算域入口边界引入声波，采用非定常计算方法直接数值模拟小扰动经过激波在边界层中引起扰动的过程。