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

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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:2023-07-10 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:2023-07-10 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

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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

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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

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