高焓湍流边界层黏性耗散对壁面热流的影响

doi:10.7527/S1000-6893.2023.28963

流体力学与飞行器总体设计

本期目录 | 过刊浏览 | 高级检索

前一篇 | 后一篇

高焓湍流边界层黏性耗散对壁面热流的影响

李峻洋, 刘朋欣, 余明, 孙东, 董思卫, 袁先旭()

空天飞行空气动力科学与技术全国重点实验室，绵阳　621000

收稿日期:2023-05-05 修回日期:2023-06-05 接受日期:2023-07-03 出版日期:2023-08-15 发布日期:2023-07-07
通讯作者: 袁先旭 E-mail:yuanxianxu@skla.cardc.cn
基金资助:
国家重点研发计划(2019YFA0405200);国家自然科学基金(12272396);国家数值风洞工程

Effects of viscous dissipation on wall heat flux in high-enthalpy turbulent boundary layer

Junyang LI, Pengxin LIU, Ming YU, Dong SUN, Siwei DONG, Xianxu YUAN()

State Key Laboratory of Aerodynamics，Mianyang 　621000，China

Received:2023-05-05 Revised:2023-06-05 Accepted:2023-07-03 Online:2023-08-15 Published:2023-07-07
Contact: Xianxu YUAN E-mail:yuanxianxu@skla.cardc.cn
Supported by:
National Key R&D Program of China(2019YFA0405200);National Natural Science Foundation of China(12272396);National Numerical Windtunnel Project

摘要/Abstract

摘要：

飞行器在高速飞行过程中，头部激波会强烈压缩来流使得气体温度急剧增大，激发高温非平衡效应。高温非平衡效应与湍流耦合作用形成高焓湍流边界层，使得飞行器表面热流生成机制变得更加复杂。基于内能守恒方程，推导出适用于高焓湍流边界层的热流分解公式，并对高焓零压力梯度平板湍流边界层热流生成机制进行分析，重点关注了黏性耗散作用对热流生成的影响。结果表明，黏性耗散是热流生成的主要来源，高温非平衡效应会在近壁区增大黏性耗散的贡献。黏性耗散作用可以分解为平均黏性耗散、脉动黏性耗散2部分，分别主要分布于近壁区和对数区。2部分黏性耗散作用都对壁面热流产生显著影响，且平均黏性耗散对壁面热流的贡献大约是脉动黏性耗散的2倍。

关键词: 高温非平衡效应, 湍流边界层, 直接数值模拟, 热流分解, 黏性耗散

Abstract:

During the high-speed flight of the aircraft， the head shock wave will strongly compress the incoming flow， which will lead to a sharp increase in gas temperature and stimulate the high-temperature non-equilibrium effect. The high-enthalpy turbulent boundary layer is formed by coupling high temperature non-equilibrium effects and turbulence， which makes the formation mechanism of wall heat flux on the aircraft surface more complex. In this paper， based on the internal energy conservation equation， the heat flux decomposition formula suitable for the high-enthalpy turbulent boundary layer is derived. The heat flux generation mechanism of the high enthalpy zero-pressure gradient plate turbulent boundary layer is analyzed， focusing on the effect of viscous dissipation on the generation of wall heat flux. The results show that viscous dissipation is the main source of heat flux generation， and the high temperature non-equilibrium effect increases the contribution of viscous dissipation near the wall. The viscous dissipation can be divided into two parts： average and fluctuating ones， which are mainly distributed in the near-wall region and logarithmic region， respectively. The two parts of viscous dissipation have a significant effect on the wall heat flux， and the contribution of the average viscous dissipation on the wall heat flux is about twice that of the fluctuating viscous dissipation.

Key words: high-temperature non-equilibrium effect, turbulent boundary layer, direct numerical simulation, decomposition of wall heat flux, viscous dissipation

中图分类号:

V211.3

李峻洋, 刘朋欣, 余明, 孙东, 董思卫, 袁先旭. 高焓湍流边界层黏性耗散对壁面热流的影响[J]. 航空学报, 2023, 44(15): 528963-528963.

Junyang LI, Pengxin LIU, Ming YU, Dong SUN, Siwei DONG, Xianxu YUAN. Effects of viscous dissipation on wall heat flux in high-enthalpy turbulent boundary layer[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2023, 44(15): 528963-528963.

图/表 16

图 1

表 1

边界层计算参数

算例	$R e θ$	$R e τ$	$Δ x +$	$Δ y w +$	$Δ z +$
TH	2 451.1	802.5	18.6	0.34	5.6
TL	2 483.7	868.3	19.3	0.35	5.8

表 1

图 2

图 3

图 4

图 5

图 6

图 7

表 2

壁面热流分解公式中的各项贡献（%）

算例	$C h, L$	$C h, T$	$C h, D$	$C h, ν$	$C h, G$
TH	16.957	-19.340	-1.173	109.281	-5.725
TL	18.587	-9.771		98.883	-7.699

表 2

图 8

图 9

表 3

壁面热流黏性耗散贡献

算例	$C h, ν 1$ /%	$C h, ν 2$ /%	$C h, ν$ /%
TH	73.450	35.831	109.281
TL	66.544	32.339	98.883

表 3

图 10

图 11

图 12

图 13

参考文献 28

1	姚卫，张政，赵伟，等. 高超声速飞/发一体化进展与趋势［J］. 推进技术， 2023， 44（8）： 6-21.
	YAO W， ZHANG Z， ZHAO W， et al. Progress and trend of hypersonic aircraft/engine integration ［J］. Journal of Propulsion Technology， 2023， 44（8）： 6-21 （in Chinese）.
2	齐伟呈，程思野，李堃. 高超声速飞行器及推进系统研究进展［J］. 科技创新与应用， 2022， 12（31）： 18-21.
	QI W C， CHENG S Y， LI K. Research progress of hypersonic vehicle and propulsion system［J］. Technology Innovation and Application， 2022， 12（31）： 18-21 （in Chinese）.
3	SZIROCZAK D， SMITH H. A review of design issues specific to hypersonic flight vehicles［J］. Progress in Aerospace Sciences， 2016， 84： 1-28.
4	陈坚强. 国家数值风洞（NNW）工程关键技术研究进展［J］. 中国科学：技术科学， 2021， 51（11）： 1326-1347.
	CHEN J Q. Advances in the key technologies of Chinese national numerical windtunnel project［J］. Scientia Sinica （Technologica）， 2021， 51（11）： 1326-1347 （in Chinese）.
5	袁先旭，陈坚强，杜雁霞，等. 国家数值风洞（NNW）工程中的CFD基础科学问题研究进展［J］. 航空学报， 2021， 42（9）： 625733.
	YUAN X X， CHEN J Q， DU Y X， et al. Research progress on fundamental CFD issues in National Numerical Windtunnel Project［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2021， 42（9）： 625733 （in Chinese）.
6	ANDERSON J D. Hypersonic and high-temperature gas dynamics［M］. 2nd ed. Reston： American Institute of Aeronautics and Astronautics， 2006.
7	SHANG J J S， YAN H. High-enthalpy hypersonic flows［J］. Advances in Aerodynamics， 2020， 2（1）： 1-39.
8	DUAN L， MARTÍN M P. Direct numerical simulation of hypersonic turbulent boundary layers. Part 4. Effect of high enthalpy［J］. Journal of Fluid Mechanics， 2011， 684： 25-59.
9	DUAN L， MARTÍN M P. Assessment of turbulence-chemistry interaction in hypersonic turbulent boundary layers［J］. AIAA Journal， 2011， 49（1）： 172-184.
10	DUAN L， MARTIN M P. Effective approach for estimating turbulence-chemistry interaction in hypersonic turbulent boundary layers［J］. AIAA Journal， 2011， 49（10）： 2239-2247.
11	DI RENZO M， URZAY J. Direct numerical simulation of a hypersonic transitional boundary layer at suborbital enthalpies［J］. Journal of Fluid Mechanics， 2021， 912： A29.
12	刘朋欣，袁先旭，孙东，等. 高温化学非平衡湍流边界层直接数值模拟［J］. 航空学报， 2022， 43（1）： 124877.
	LIU P X， YUAN X X， SUN D， et al. Direct numerical simulation of high-temperature turbulent boundary layer with chemical nonequilibrium［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2022， 43（1）： 124877 （in Chinese）.
13	刘朋欣，袁先旭，梁飞，等. 高温化学非平衡湍流边界层脉动量象限分析［J］. 航空学报， 2021， 42（）： 4-15.
	LIU P X， YUAN X X， LIANG F， et al. Quadrant decomposition analysis of fluctuations in high-temperature turbulent boundary layer with chemical non-equilibrium［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2021， 42（Sup 1）： 4-15 （in Chinese）.
14	刘朋欣，孙东，李辰，等. 高焓湍流边界层壁面摩阻产生机制分析［J］. 力学学报， 2022， 54（1）： 39-47.
	LIU P X， SUN D， LI C， et al. Analyses on generation mechanism of skin friction in high enthalpy turbulent boundary layer［J］. Chinese Journal of Theoretical and Applied Mechanics， 2022， 54（1）： 39-47 （in Chinese）.
15	PASSIATORE D， SCIACOVELLI L， CINNELLA P， et al. Finite-rate chemistry effects in turbulent hypersonic boundary layers： A direct numerical simulation study［J］. Physical Review Fluids， 2021， 6（5）： 054604.
16	PASSIATORE D， SCIACOVELLI L， CINNELLA P， et al. Thermochemical non-equilibrium effects in turbulent hypersonic boundary layers［J］. Journal of Fluid Mechanics， 2022， 941： A21.
17	ZHANG P， XIA Z H. Contribution of viscous stress work to wall heat flux in compressible turbulent channel flows［J］. Physical Review E， 2020， 102（4）： 043107.
18	WENZEL C， GIBIS T， KLOKER M. About the influences of compressibility， heat transfer and pressure gradients in compressible turbulent boundary layers［J］. Journal of Fluid Mechanics， 2022， 930： A1.
19	RENARD N， DECK S. A theoretical decomposition of mean skin friction generation into physical phenomena across the boundary layer［J］. Journal of Fluid Mechanics， 2016， 790： 339-367.
20	SUN D， GUO Q L， YUAN X X， et al. A decomposition formula for the wall heat flux of a compressible boundary layer［J］. Advances in Aerodynamics， 2021， 3（1）： 1-13.
21	LI J Y， YU M， SUN D， et al. Wall heat transfer in high-enthalpy hypersonic turbulent boundary layers［J］. Physics of Fluids， 2022， 34（8）： 085102.
22	LI Q， LIU P X， ZHANG H X. Further investigations on the interface instability between fresh injections and burnt products in 2-D rotating detonation［J］. Computers & Fluids， 2018， 170： 261-272.
23	CASTRO M， COSTA B， DON W S. High order weighted essentially non-oscillatory WENO-Z schemes for hyperbolic conservation laws［J］. Journal of Computational Physics， 2011， 230（5）： 1766-1792.
24	GUPTA R， YOS J， THOMPSON R A. A review of reaction rates and thermodynamic and transport properties for the 11-species air model for chemical and thermal nonequilibrium calculations to 30000 K： NASA-RP-1232［R］. Washington D.C.： NASA， 1989.
25	MENTER F R. Two-equation eddy-viscosity turbulence models for engineering applications［J］. AIAA Journal， 1994， 32（8）： 1598-1605.
26	ADLER M C， GONZALEZ D R， STACK C M， et al. Synthetic generation of equilibrium boundary layer turbulence from modeled statistics［J］. Computers & Fluids， 2018， 165： 127-143.
27	ZHANG C， DUAN L A， CHOUDHARI M M. Direct numerical simulation database for supersonic and hypersonic turbulent boundary layers［J］. AIAA Journal， 2018， 56（11）： 4297-4311.
28	JIMENEZ J. Near-wall turbulence［J］. Physical of Fluids， 2013， 25（10）： 110814.

E-mail：hkxb@buaa.edu.cn

关于我们

期刊社服务

专业学科

封面文章

友情链接

主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

[1]	赖江, 范召林, 王乾, 董思卫, 童福林, 袁先旭. 高超声速有攻角锥裙直接数值模拟[J]. 航空学报, 2024, 45(2): 128610-128610.
[2]	曾繁宇, 邱云龙, 曹占伟, 张伦, 陈伟芳. 超声速湍流边界层阵列式微吹气流动控制与减阻特性[J]. 航空学报, 2023, 44(S2): 729396-729396.
[3]	傅亚陆, 袁先旭, 刘朋欣, 余明. 可压缩壁湍流热力学量统计特性分析[J]. 航空学报, 2023, 44(9): 127217-127217.
[4]	张阳, 罗佳奇, 曾先. 基于改进虚拟单元浸没边界法的椭圆气动噪声问题[J]. 航空学报, 2023, 44(19): 128418-128418.
[5]	刘晓东, 刘朋欣, 李辰, 孙东, 袁先旭. 高焓激波/湍流边界层干扰直接数值模拟[J]. 航空学报, 2023, 44(13): 127832-127832.
[6]	程剑锐, 施崇广, 瞿丽霞, 徐悦, 尤延铖, 朱呈祥. 二维弯曲激波/湍流边界层干扰流动理论建模[J]. 航空学报, 2022, 43(9): 125993-125993.
[7]	童福林, 董思卫, 段俊亦, 李新亮. 激波/湍流边界层干扰分离泡直接数值模拟[J]. 航空学报, 2022, 43(7): 125437-125437.
[8]	范孝华, 唐志共, 王刚, 杨彦广. 激波/湍流边界层干扰低频非定常性研究评述[J]. 航空学报, 2022, 43(1): 625917-625917.
[9]	时晓天, 吕蒙, 赵渊, 陶善聪, 郝乐, 袁湘江. 激波/湍流边界层干扰的流动控制技术[J]. 航空学报, 2022, 43(1): 625929-625929.
[10]	段俊亦, 童福林, 李新亮, 刘洪伟. 压缩-膨胀湍流边界层平均摩阻分解[J]. 航空学报, 2022, 43(1): 625915-625915.
[11]	刘朋欣, 袁先旭, 孙东, 傅亚陆, 李辰. 高温化学非平衡湍流边界层直接数值模拟[J]. 航空学报, 2022, 43(1): 124877-124877.
[12]	沈鹏飞, 刘朋欣, 孙东, 袁先旭. 马赫6柱-裙构型激波/湍流边界层干扰摩阻统计特性[J]. 航空学报, 2022, 43(1): 626005-626005.
[13]	刘朋欣, 袁先旭, 梁飞, 李辰, 孙东. 高温化学非平衡湍流边界层脉动量象限分析[J]. 航空学报, 2021, 42(S1): 726338-726338.
[14]	李青, 涂国华, 余钊圣, 林昭武, 李婷婷, 袁先旭. 惯性颗粒在非均匀加速流中的输运问题[J]. 航空学报, 2021, 42(S1): 726390-726390.
[15]	孙东, 刘朋欣, 沈鹏飞, 童福林, 郭启龙. 马赫数6柱-裙激波/边界层干扰直接模拟[J]. 航空学报, 2021, 42(12): 124681-124681.

高焓湍流边界层黏性耗散对壁面热流的影响

Effects of viscous dissipation on wall heat flux in high-enthalpy turbulent boundary layer

RichHTML

PDF (PC)

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 16

参考文献 28

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

本文评价