人字形肋条诱导的超声速混合层中湍流生成与演化机制

《European Journal of Mechanics - B/Fluids》：Turbulence generation and evolution mechanisms induced by herringbone ribs in supersonic mixing layer

　　摘要为了研究人字形肋如何改变超音速混合层中的湍流生成与演化，针对隔板构型开展了大涡模拟（LES）研究。首先通过将雷诺平均Navier–Stokes（RANS）、无合成入口湍流的LES以及采用合成涡方法（SEM）生成湍流入口的LES所获得的归一化速度和湍流强度剖面与经典实验数据进行比较，对数值框架进行了验证。随后考察了基准混合层的下游演化以及激波–剪切层相互作用引起的混合层厚度局部变化。在隔板上引入人字形肋，并从流动结构、涡演化、平均速度剖面、湍流强度以及动态模态分解（DMD）特性等方面对基准构型与人字形肋构型进行了比较。结果表明，肋诱导的几何扰动产生了周期性分布的近壁涡结构和二次流动。与基准构型相比，肋化算例中未清晰识别出典型的二维卷起阶段，而三维涡结构在更上游处出现。肋尾缘下游的循环流动伴随着增强的速度脉动，初始流向湍流强度相对于基准构型增加了60%。DMD分析进一步表明，人字形肋通过对剪切层的局部强迫作用激发了高频小尺度扰动，同时维持了具有更长时间持续性的低频大尺度相干运动。本研究结果针对所考虑的人字形肋几何形状和入口条件具有特异性，其对其他肋构型和流动条件的适用性有待进一步研究。引言高超声速飞行器的巡航速度可超过马赫数5，在飞行速度和机动性方面具有显著优势。超燃冲压发动机被认为是高超声速飞行器有前景的推进概念之一[1]，[2]。基于冲压的推进系统通常需要外部加速才能有效工作，这使得单一动力系统难以在宽速域范围内高效运行。一种方法是将多种推进模式集成到组合系统中[3]。常见的组合循环发动机包括涡轮基组合循环（TBCC）发动机[4]和火箭基组合循环（RBCC）发动机[5]。高效的高速混合与燃烧对于这些组合循环推进系统的运行至关重要。由于燃烧室中反应流的停留时间量级为毫秒级，两种类型中实现充分燃烧均具有挑战性，且燃烧效率往往无法满足工程设计需求[6]。超音速混合层是与组合循环推进系统相关的基本流动构型，理解混合机制对于理解和改善此类推进系统的性能至关重要[7]。近年来，可压缩混合层的湍流特性受到了广泛关注[8]。Gang等人[9]通过实验表明，混合层的发展可分为层流、转捩和湍流三个阶段。在其演化过程中，混合层逐渐失稳并经历大尺度涡结构的破碎。Zhang等人[10]通过理论计算获得了类似结果，并在流场中观察到环状涡结构。Hou等人[11]指出这些大尺度涡在混合层增长中起主导作用，并首次在低对流马赫数条件下发现了小激波结构。Beketaeva等人[12]研究了这些小激波结构，并报道这些结构可抑制混合层增长。入口参数对混合层发展的影响也得到了广泛研究。Huang等人[13]研究了改变来流静压比的影响，发现静压比的增加促进涡破碎并增强下游不稳定性。Yang等人[14]在压力不匹配条件下对剪切流进行了LES计算，同样发现压差增加促进下游混合。Dai等人[15]探讨了温度的影响，发现随着温度梯度的增加，初始不稳定性增强。然而，由于这也导致流体粘度增加，混合层的增长率在后续发展中逐渐减小。为了在高速燃烧室的有限长度内实现充分混合与燃烧，被动和主动混合增强策略均得到了广泛研究[16]。其中，涡发生器是一种常见的被动增强技术。此类装置通过壁面上布置微几何阵列（如三角形楔块、斜坡和人字形肋）产生流向涡，从而增强混合[17]。近年来，涡发生器已被广泛研究，包括其对边界层流动分离[18]，[19]，[20]和激波相互作用[21]等现象的抑制作用。超音速混合层中被动增强的研究主要集中在波瓣混合器上。Zeng等人[22]研究了正弦波瓣混合器几何尺寸的影响，发现在固定的振幅-波长比下，同时增大振幅和波长可增强混合。Li等人[23]通过实验比较了正弦形和矩形波瓣混合器，发现在相同波瓣角下，矩形波瓣混合器产生的混合增强效果强于正弦形。然而，研究表明，尽管波瓣混合器能有效增强混合，但它们也会导致阻力[24]和总压损失[25]，[26]的大幅增加，这在一定程度上限制了其工程应用。相比之下，模仿鲨鱼皮表面微沟槽形态的人字形肋结构可诱导流向涡以增强混合，同时有效降低流动阻力[27]和总压损失[28]，有望在混合增强与气动代价之间取得折中。Liu等人[29]的数值计算进一步证实，人字形肋可将摩擦系数降低46.98%–50.32%。受这些观察结果的启发，研究人员开始系统性地研究使用人字形肋的增强技术。Zhu等人[30]将人字形肋引入微通道，发现其增强了所研究微通道构型中的混合并促进了涡结构的演化。Zou等人[31]将该结构应用于射流燃烧研究，观察到其诱导大尺度流向涡并放大速度脉动，从而实现下游燃料与空气的高效混合，导致更早的自燃着火。Li等人[32]观察到该方法产生的涡最初出现在肋顶部表面并伴随强烈的剪切效应，随后逐渐脱落，且其强度沿下游方向增加。Choi等人[33]在实验中把人字形肋引入燃烧室，观察到热通量等参数的改善，从而提高了发动机效率。以往的应用主要集中在射流燃烧和微通道流动等领域的人字形肋构型。同时，超音速混合层被动增强技术的研究多集中在传统波瓣混合器上，其潜在机制和模态特性仍未得到充分理解。本研究以带隔板的超音速混合层模型为对象，基于LES进行数值模拟，分析隔板下游流场中的流体行为和结构演化。第2节首先建立计算模型，第3节验证数值方法，第4节给出流场分布和涡量计算结果，分析涡结构的演化，考察人字形肋对混合层发展的影响，并应用DMD方法分析相关机制。章节片段控制方程本研究中，来流被建模为可压缩牛顿流体。流动由三维可压缩Navier-Stokes方程控制，包括连续性方程、动量方程和总能方程。Favre滤波得到以下控制方程[34]。????????????+??[?????????]=0??(?????????)????+??[???(?????????)]+????+??(????????????????)=0??(?????????)???????[???(?????????)]+??[??????]+??(???????????)+??(???????????)=0???=???????????其中上标“?•”表示Favre滤波量，上划线“??????•”表示计算域和基准条件数值模拟的入口条件基于Goebel等人[38]的实验设定，如表1所示。采用隔板混合层构型，包含两个入口和一个出口，如图1所示。两个展向边界为周期性边界，而上、下边界为滑移壁面，隔板为无滑移壁面。计算域尺寸基于经典混合层湍流特性基准算例图6显示了基于Q准则的瞬时流场可视化，并展示了混合层中主要涡结构的下游演化。同时，根据计算得到的涡量厚度：????=??1???2max∣?????????????∣如图7所示，混合层的演化可分为以下三个阶段。第一阶段是隔板下游的初始剪切段。紧接隔板尾缘之后，结论本研究采用带有SEM生成湍流入口的LES，数值研究了隔板下游超音速混合层的发展，并考察了人字形肋表面的影响。系统研究了湍流入口条件下超音速混合层的产生与演化机制，并揭示了人字形肋对混合过程被动控制的增强机制。主要结果如下。（1）作者贡献声明陶艺轩：写作—初稿、可视化、验证、方法学、调查、正式分析、数据管理、概念化。李子豪：可视化、验证、软件、方法学、调查、正式分析、概念化。刘朝阳：写作—审阅与编辑、监督、软件、资源、项目管理、方法学、资助获取、概念化。邹俊博：软件、资源、项目管理、方法学、调查。利益冲突声明作者声明，他们不存在已知的竞争性经济利益或个人关系，这些关系可能影响本文所报告的工作。致谢作者感谢国家自然科学基金（编号：12572386和12472338）以及湖南省自然科学基金（编号：2024JJ4041）的支持。陶艺轩|李子豪|刘朝阳|邹俊博|黄伟|刘健先进推进技术国家重点实验室，国防科技大学，湖南长沙，410073，中华人民共和国