[科普中国]-黏性/无黏干扰模拟

简介

黏性/无黏干扰模拟是指大雷诺数的实际流动，流场可划分为无黏流区和贴近物面及近尾迹区内的黏性薄层区，分别求解无黏流区和黏性流区并耦合两部分的解，从而得到整个流场解。1

背景高超声速流动常指随着流动马赫数增大，一些在较低马赫数时并不显著的物理现象逐渐变得越来越重要的流动，这些物理现象主要包括：

（1）薄激波层:飞行器前缘激波贴近物面，整个激波层可能与粘性边界层相融合，且前缘激波可能打在飞行器突起物上发生激波/边界层干扰和激波/激波干扰现象。

（2）熵层：在飞行器钝前缘附近区域，在垂直于飞行器表面的方向存在较强的熵梯度，熵层向下游发展，可能影响着距头部很远的下游区域。

（3）高温真实气体效应:高超声速气流在穿越激波时受到强烈压缩而引起急剧升温，又在边界层内受粘性阻滞而耗散为热量，因此产生的高温引起流体分子振动能激发、离解、电离以及辐射等现象，高温真实气体效应改变了流体特性，也影响着流体的运动规律。

（4）粘性干扰现象:高超声速流动的一个标志性的物理特征，即随着马赫数增大和雷诺数减小，边界层的厚度急剧增长，并对边界层外的无粘流体产生位移效应，位移效应等效为物体的几何外形变化，物体外形的变化进一步地影响着边界层外的无粘流动，无粘流动的改变反过来又会影响边界层的发展。这种边界层与无粘流动之间的相互作用称为粘性干扰现象。2

雷诺数与黏性作用雷诺数越小意味着粘性力影响越显著，越大意味着惯性影响越显著。雷诺数很小的流动，例如雾珠的降落或润滑膜内的流动过程，其特点是，粘性效应在整个流场中都是重要的。雷诺数很大的流动，例如飞机近地面飞行时相对于飞机的气流，其特点是流体粘性对物体绕流的影晌只在物体边界层和物体后面的尾流内才是重要的。在惯性力和粘性力起重要作用的流动中，欲使二几何相似的流动(几何相似比n=Lp/Lm，下标p代表实物，m代表模型)满足动力相似条件，必须保证模型和实物的雷诺数相等。例如，在同一种流体(即ρ相等)中进行模拟实验，则动力相似条件为vm=nvp，即模型缩小n倍，速度就要增大n倍。

粘性流体的求解不仅和边界条件有关，而且也和雷诺数有关。若雷诺数很小，则粘性力是主要因素，压力项主要和粘性力项平衡；若雷诺数很大，粘性力项成为次要因素，压力项主要和惯性力项平衡。因此，在不同的雷诺数范围内，流体流动不同，物体所受阻力也不同。当雷诺数低时，阻力正比于速度、粘度和特征长度；而雷诺数高时，阻力大体上正比于速度平方、密度和特征长度平方。