[发明专利]一种快速确定高速三维边界层中流向涡位置的方法

说明书

本发明提供一种快速确定高速三维边界层中流向涡位置的方法，所述方法包括：步骤1，基于物面几何和来流攻角，给出来流方向与物面的相对角分布；步骤2，通过相对角分布判断流向涡位置。本发明无需经过物体扰流计算即可快速确定流向涡位置，从而大大节省了计算资源和时间，具体可在至少如下三方面得到应用：（1）飞行器设计中，快速估计流向涡位置及随工况的变化规律；（2）边界层转捩计算中，通过预先判断的流向涡位置，合理安排网格分布，以达到精确求解流场演化的目的；（3）检验/验证流场扰流计算结果的合理性。

技术领域

本发明涉及流体技术领域，具体而言，涉及一种快速确定高速三维边界层中流向涡位置的方法。

背景技术

物体在静止流体（比如空气或水）中高速运动时，或者相对地，流体高速流经静止物体时，物体表面与外围流体之间会形成一个薄薄的剪切层，即边界层，使得流体微团速度（有时还包括温度等物理量）在物面处与物体速度相同。边界层对物体的受力极为重要，它是物体摩擦阻力的来源，同时也是产生升力的关键。

边界层因为其中流动的状态又分为层流边界层和湍流边界层，其中层流边界层产生的摩擦阻力（或气动传热）远小于湍流边界层，故而飞行器设计中一般希望保持边界层保持层流状态或者准确预测边界层从层流到湍流的转捩位置。于是，边界层转捩问题是飞行器设计中需要考虑的重要因素。现有研究表明，边界层转捩对边界层流动非常敏感，细微的流场变化也可能引起边界层转捩过程和位置的显著改变。

实际飞行器以旋成体构型为主，其表面边界层大多在展向（或周向）与流向（或轴向）是缓变的，但在某些特定区域，边界层可能因流向涡而在展向发生剧烈卷曲，造成展向流动特征剧烈变化，从而导致边界层转捩的机制和位置迥异于旁边的边界层。于是，快速判断流向涡结构位置对边界层转捩预测乃至飞行器设计至关重要。

目前，除诸如有攻角圆锥等简单的流动情况外，流向涡的位置均需通过物体扰流计算来确定，虽然结果足够精确，但需要耗费庞大的计算资源和时间，且即便对同一个几何物体，来流条件的些微变化（如攻角）就需要重做一遍物理扰流计算来确定流向涡位置，这对飞行器的快速高效设计非常不利。

发明内容

本发明旨在提供一种快速确定高速三维边界层中流向涡位置的方法，以解决通过物体扰流计算来确定流向涡位置存在好费计算资源和时间的问题。

本发明提供的一种快速确定高速三维边界层中流向涡位置的方法，所述方法包括：

步骤1，基于物面几何和来流攻角，给出来流方向与物面的相对角分布；

步骤2，通过相对角分布判断流向涡位置。

进一步的，步骤1中所述相对角的计算公式如下：

α_r=π+arccos(a·n)

其中，α_r为相对角，a为来流方向单位矢量，n为物面法向单位矢量。

进一步的，步骤2中所述通过相对角分布判断流向涡位置的方法为：从相对角分布中找到相对角极大值，所述相对角极大值的位置对应激波后压强极小值位置，即流向涡位置。

进一步的，所述相对角分布中具有两个相对角极大值，一个对应腹部流向涡，另一个对应肩部流向涡。

进一步的，所述快速确定高速三维边界层中流向涡位置的方法还包括：

步骤3，计算不同来流攻角下的相对角分布，判断流向涡随来流攻角变化的强弱变化规律。