宽速域翼尖涡及其与斜激波相互作用

doi:10.7527/S1000-6893.2022.26990

流体力学与飞行力学

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宽速域翼尖涡及其与斜激波相互作用

马印锴, 李祝飞(), 黄琪, 杨基明

中国科学技术大学近代力学系，合肥 230026

收稿日期:2022-01-24 修回日期:2022-02-10 接受日期:2022-03-04 出版日期:2023-04-15 发布日期:2022-03-11
通讯作者: 李祝飞 E-mail:lizhufei@ustc.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(12172354)

Wingtip vortex and its interaction with oblique shock wave in wide-speed range

Yinkai MA, Zhufei LI(), Qi HUANG, Jiming YANG

Department of Modern Mechanics，University of Science and Technology of China，Hefei 230026，China

Received:2022-01-24 Revised:2022-02-10 Accepted:2022-03-04 Online:2023-04-15 Published:2022-03-11
Contact: Zhufei LI E-mail:lizhufei@ustc.edu.cn
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(12172354)

摘要/Abstract

摘要：

针对宽速域飞行器产生的翼尖涡及其与斜激波相互作用问题，采用数值模拟方法，在来流马赫数0.2~6.0范围内，研究了翼尖涡的演化特性，并探讨了斜激波诱导翼尖涡破碎的机理。结果表明，在宽速域范围，翼尖涡的切向速度和环量分布仍然符合低速流动中的自相似关系式；在超声速至高超声速流动中，翼尖涡强度沿流向更快地减弱；当翼尖涡与斜激波相互作用时，涡核处压力越低的翼尖涡更容易破碎，而经典的涡破碎理论难以在宽速域范围内准确预测涡破碎现象；通过引入涡核处的压力亏损效应修正经典理论，大幅提升了预测斜激波诱导翼尖涡破碎的能力。

关键词: 宽速域, 飞行器, 翼尖涡, 斜激波, 涡破碎

Abstract:

Wingtip vortex generated by a wide-speed range flight vehicle and its interaction with oblique shock wave are numerically investigated in a freestream Mach number range of 0.2-6.0. The evolution characteristics of the wingtip vortex are examined and the mechanism of its breakdown induced by the oblique shock wave are revealed. The results show that the tangential velocity and circulation distribution of the wingtip vortex in the wide-speed range still conform to the self-similarity relation in the low-speed flow. In supersonic and hypersonic flow regimes， the intensity of the wingtip vortex decreases more obviously along the flow direction. When the wingtip vortex with a lower pressure at the vortex core interacts with the oblique shock wave， the vortex is easier to break down. However， the existing theories are difficult to accurately predict the vortex breakdown in the wide-speed range. When the classic theory is modified by considering the pressure deficit at the vortex core， the ability to predict the vortex breakdown induced by the oblique shock wave is greatly improved.

Key words: wide-speed range, flight vehicle, wingtip vortex, oblique shock wave, vortex breakdown

中图分类号:

V211.41

马印锴, 李祝飞, 黄琪, 杨基明. 宽速域翼尖涡及其与斜激波相互作用[J]. 航空学报, 2023, 44(7): 38-50.

Yinkai MA, Zhufei LI, Qi HUANG, Jiming YANG. Wingtip vortex and its interaction with oblique shock wave in wide-speed range[J]. ACTA AERONAUTICAET ASTRONAUTICA SINICA, 2023, 44(7): 38-50.

图/表 27

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表 1

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参考文献 39

1	MOSES P L. X-43C plans and status： AIAA-2003-7084 ［R］. Reston： AIAA， 2003.
2	LONGSTAFF R， BOND A. The SKYLON project： AIAA-2011-2244［R］. Reston： AIAA， 2011.
3	MEHTA U， AFTOSMIS M， BOWLES J， et al. Skylon aerospace plane and its aerodynamics and plumes［J］. Journal of Spacecraft and Rockets， 2016， 53（2）： 340-353.
4	SKUJINS T， CESNIK C E S， OPPENHEIMER M W， et al. Canard-elevon interactions on a hypersonic vehicle［J］. Journal of Spacecraft and Rockets， 2010， 47（1）： 90-100.
5	HALLOCK J N， HOLZÄPFEL F. A review of recent wake vortex research for increasing airport capacity［J］. Progress in Aerospace Sciences， 2018， 98： 27-36.
6	CHENG Z P， QIU S Y， XIANG Y， et al. Instability characteristics of a co-rotating wingtip vortex pair based on bi-global linear stability analysis［J］. Chinese Journal of Aeronautics， 2021， 34（5）： 1-16.
7	程泽鹏，邱思逸，向阳，等. 基于全局线性稳定性分析的翼尖双涡不稳定特征演化机理［J］. 航空学报， 2020， 41（9）： 123751.
	CHENG Z P， QIU S Y， XIANG Y， et al. Evolution mechanism of instability features of wingtip vortex pairs based on bi-global linear stability analysis［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2020， 41（9）： 123751 （in Chinese）.
8	邱思逸，程泽鹏，向阳，等. 基于线性稳定性分析的翼尖涡摇摆机制［J］. 航空学报， 2019， 40（8）： 122712.
	QIU S Y， CHENG Z P， XIANG Y， et al. Mechanism of wingtip vortex wandering based on linear stability analysis［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2019， 40（8）： 122712 （in Chinese）.
9	KALKHORAN I M， SMART M K. Aspects of shock wave-induced vortex breakdown［J］. Progress in Aerospace Sciences， 2000， 36（1）： 63-95.
10	GERZ T， HOLZÄPFEL F， DARRACQ D. Commercial aircraft wake vortices［J］. Progress in Aerospace Sciences， 2002， 38（3）： 181-208.
11	NEDUNGADI A， LEWIS M J. Computational study of the flowfields associated with oblique shock/vortex interactions［J］. AIAA Journal， 1996， 34（12）： 2545-2553.
12	BATCHELOR G K. Axial flow in trailing line vortices［J］. Journal of Fluid Mechanics， 1964， 20（4）： 645-658.
13	BIRCH D， LEE T， MOKHTARIAN F， et al. Structure and induced drag of a tip vortex［J］. Journal of Aircraft， 2004， 41（5）： 1138-1145.
14	BENINATI M L， MARSHALL J S. An experimental study of the effect of free-stream turbulence on a trailing vortex［J］. Experiments in Fluids， 2005， 38（2）： 244-257.
15	RAMAPRIAN B R， ZHENG Y X. Near field of the tip vortex behind an oscillating rectangular wing［J］. AIAA Journal， 1998， 36（7）： 1263-1269.
16	GROW T L. Effect of a wing on its tip vortex［J］. Journal of Aircraft， 1969， 6（1）： 37-41.
17	MCALISTER K W， TAKAHASHI R K. NACA 0015 wing pressure and trailing vortex measurements［R］. Washington D.C.： NASA， 1991.
18	RAMAPRIAN B R， ZHENG Y X. Measurements in rollup region of the tip vortex from a rectangular wing［J］. AIAA Journal， 1997， 35（12）： 1837-1843.
19	SKINNER S N， GREEN R B， ZARE-BEHTASH H. Wingtip vortex structure in the near-field of swept-tapered wings［J］. Physics of Fluids， 2020， 32（9）： 095102.
20	SMART M K， KALKHORAN I M， BENTSON J. Measurements of supersonic wing tip vortices［J］. AIAA Journal， 1995， 33（10）： 1761-1768.
21	SHEVCHENKO A， KHARITONOV A， SHMAKOV A. Hypersonic vortex wake behind the wing and its interaction with shock waves［C］∥5 th European Conference for Aerospace Sciences， 2013.
22	KALKHORAN I M， SMART M K， BETTI A. Interaction of supersonic wing-tip vortices with a normal shock［J］. AIAA Journal， 1996， 34（9）： 1855-1861.
23	SMART M K， KALKHORAN I M. Effect of shock strength on oblique shock-wave/vortex interaction［J］. AIAA Journal， 1995， 33（11）： 2137-2143.
24	MAGRI V， KALKHORAN I M. Numerical investigation of oblique shock wave/vortex interaction［J］. Computers & Fluids， 2013， 86： 343-356.
25	CATTAFESTA L N， SETTLES G S. Experiments on shock/vortex interactions： AIAA-1992-0315［R］. Reston： AIAA， 1992.
26	HIEJIMA T. Criterion for vortex breakdown on shock wave and streamwise vortex interactions［J］. Physical Review E， 2014， 89（5）： 053017.
27	SMART M K， KALKHORAN I M. Flow model for predicting normal shock wave induced vortex breakdown［J］. AIAA Journal， 1997， 35（10）： 1589-1596.
28	MAHESH K. A model for the onset of breakdown in an axisymmetric compressible vortex［J］. Physics of Fluids， 1996， 8（12）： 3338-3345.
29	ERLEBACHER G， HUSSAINI M Y， SHU C W. Interaction of a shock with a longitudinal vortex［J］. Journal of Fluid Mechanics， 1997， 337： 129-153.
30	DELERY J， HOROWITZ E， LEUCHTER O， et al. Fundamental studies on vortex flows［J］. Recherche Aerospatiale （English Edition）， 1984（2）： 1-24.
31	GRUHN P， GÜLHAN A. Aerodynamic measurements of an air-breathing hypersonic vehicle at Mach 3.5 to 8［J］. AIAA Journal， 2018， 56（11）： 4282-4296.
32	童秉纲，孔祥言，邓国华. 气体动力学［M］.第 2版. 北京：高等教育出版社， 2012： 137-143.
	TONG B G， KONG X Y， DENG G H. Gas dynamics［M］. 2nd ed. Beijing： Higher Education Press， 2012： 137-143 （in Chinese）.
33	李祝飞，高文智，杨基明. 一种二元进气道起动特性的数值与实验考察［J］. 推进技术， 2016， 37（7）： 1224-1232.
	LI Z F， GAO W Z， YANG J M. Numerical and experimental investigation for starting characteristics of a two-dimensional inlet［J］. Journal of Propulsion Technology， 2016， 37（7）： 1224-1232 （in Chinese）.
34	LI Y M， LI Z F， YANG J M. Tomography-like flow visualization of a hypersonic inward-turning inlet［J］. Chinese Journal of Aeronautics， 2021， 34（1）： 44-49.
35	BERESH S J， HENFLING J F， SPILLERS R W. Planar velocimetry of a fin trailing vortex in subsonic compressible flow［J］. AIAA Journal， 2009， 47（7）： 1730-1740.
36	马印锴，李祝飞，杨基明. 高马赫数来流条件下斜激波与流向涡对相互作用［J］. 推进技术， 2022， 43（1）： 88-99.
	MA Y K， LI Z F， YANG J M. Oblique shock wave/streamwise-vortex-pair interaction at a high Mach number［J］. Journal of Propulsion Technology， 2022， 43（1）： 88-99 （in Chinese）.
37	MA Y K， LI Z F， YANG J M. Planar laser scattering visualization of streamwise vortex pairs in a Mach 6 flow［J］. Chinese Journal of Aeronautics， 2023， 36（1）： 166-177.
38	BIRCH D M. Self-similarity of trailing vortices［J］. Physics of Fluids， 2012， 24（2）： 025105.
39	WU Z N， XU Y Z， WANG W B， et al. Review of shock wave detection method in CFD post-processing［J］. Chinese Journal of Aeronautics， 2013， 26（3）： 501-513.

E-mail：hkxb@buaa.edu.cn

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马赫数Ma_∞	静温/K	静压/kPa
0.2	300.0	101.0
0.8	266.6	67.3
2.0	216.7	10.7
4.0	221.2	2.7
6.0	226.5	1.2

网格	N_x	N_y	N_z	总网格数
1	690	145	180	约1.8×10⁷
2	830	185	230	约3.5×10⁷
3	870	215	280	约5.2×10⁷

流向站位x/L	压力亏损P_1，c/P_1，∞	速度亏损U_1，c/U_1，∞	旋流数τ
0.7	0.30	0.86	0.41
1.8	0.55	0.90	0.27
4.9	0.78	0.93	0.19

流向站位x/L	压力亏损P_1，c/P_1，∞	速度亏损U_1，c/U_1，∞	旋流数τ
0.7	0.42	0.81	0.19
1.8	0.62	0.90	0.14
4.9	0.79	0.95	0.09

流向站位x/L	压力亏损P_1，c/P_1，∞	速度亏损U_1，c/U_1，∞	旋流数τ
0.7	0.50	0.80	0.12
1.8	0.71	0.90	0.08
4.9	0.83	0.94	0.06

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Wingtip vortex and its interaction with oblique shock wave in wide-speed range

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[1]	李俊红, 靳旭红, 刘春风, 苗文博, 程晓丽. 临近空间高速飞行器微量气动力试验及计算[J]. 航空学报, 2023, 44(6): 127072-127072.
[2]	王梓伊, 张伟伟, 刘磊, 杨肖峰. 适用于复杂流动的热气动弹性降阶建模方法[J]. 航空学报, 2023, 44(4): 126807-126807.
[3]	韩荣, 刘伟, 杨小亮. 高超声速飞行器自适应减阻盘动态减阻机理[J]. 航空学报, 2023, 44(4): 126633-126633.
[4]	孙志坤, 史志伟, 张伟麟, 李铮, 孙琪杰. 等离子体激励器对高速翼型升阻特性的影响[J]. 航空学报, 2022, 43(S2): 23-39.
[5]	宋威, 艾邦成. 多体分离动力学研究进展[J]. 航空学报, 2022, 43(9): 25950-025950.
[6]	王新光, 毛枚良, 何琨, 陈琦, 万钊. 壁面函数在超声速湍流模拟中的应用[J]. 航空学报, 2022, 43(9): 126153-126153.
[7]	郑辉, 邱雷, 袁慎芳, 杨晓飞, 卢绪龙, 薛兆鹏. C/C热防护结构高温气流损伤导波监测实验方法[J]. 航空学报, 2022, 43(8): 225659-225659.
[8]	刘强, 涂国华, 罗振兵, 陈坚强, 赵瑞, 袁先旭. 延迟高超声速边界层转捩技术研究进展[J]. 航空学报, 2022, 43(7): 25357-025357.
[9]	何宇廷. 飞行器广义生存性及评估方法[J]. 航空学报, 2022, 43(6): 526118-526118.
[10]	王晨, 杨洋, 沈星, 夏育颖. 用于变体飞行器的波纹板等效强度模型及其优化设计[J]. 航空学报, 2022, 43(6): 526146-526146.
[11]	赵天, 李营, 张超, 姚辽军, 黄怿行, 黄治新, 陈诚, 汪万栋, 祖磊, 周华民, 裘进浩, 邱志平, 方岱宁. 高性能航空复合材料结构的关键力学问题研究进展[J]. 航空学报, 2022, 43(6): 526851-526851.
[12]	孙聪. 高超声速飞行器强度技术的现状、挑战与发展趋势[J]. 航空学报, 2022, 43(6): 527590-527590.
[13]	赵飞, 刘丽玲, 石泳, 左光, 万千, 张宇佳. 类X-43A飞行器高超声速分离仿真[J]. 航空学报, 2022, 43(5): 125171-125171.
[14]	胡嘉欣, 芮姝, 高瑞朝, 苟建军, 龚春林. 飞行器结构布局与尺寸混合优化方法[J]. 航空学报, 2022, 43(5): 225363-225363.
[15]	李霞, 齐国元, 郭曦彤, 赵旭. 高阶微分反馈控制及在四旋翼飞行器中的应用[J]. 航空学报, 2022, 43(12): 326047-326047.