● 摘要
高超声速飞行器技术是当今航空航天领域技术研究的一个重要方向，准确地计算高超声速飞行器的气动力、气动热对高超声速飞行器的研制起着非常重要的作用。目前的地面实验设备还不能达到完全模拟高超声速飞行器的流动状态的要求，而传统的时间迭代CFD方法计算效率又太低，限制了大规模流场数值模拟的使用，制约了高精度CFD技术在高超声速领域的广泛应用。因此发展一种既准确又高效的计算方法是十分必要的。空间推进求解抛物化NS（PNS）方程进行高超声速流场计算的方法，只需保存沿流动方向计算截面的网格及流动参数，在所有计算网格点上扫描一次或几次。相对传统求解全NS方程组的时间迭代法而言，空间推进算法大幅减少了计算资源的消耗，是适用于高超声速领域的高效率的流场数值计算方法。本文主要展开两方面的工作，一是对一种单次扫描空间推进求解PNS方程的方法（SSPNS）作了准确性和高效性验证，并考察了它的适用范围；二是将k-g两方程湍流模型引入到这种算法之中，并开展典型湍流算例的验证。计算结果表明，在计算绕小楔角或者小攻角绕翼流动时，SSPNS算法的计算精度与时间迭代算法基本相当，在流动有明显流向分离的情况下误差大。引入k-g两方程湍流模型的SSPNS程序能够较精确地模拟无分离的湍流流动，计算精度与时间迭代方法相当，并与实验值和理论值符合良好。湍流模型的引入扩展了SSPNS算法应用范围，使之可以胜任一般湍流流场的计算。在计算效率方面，在同样的计算条件下，SSPNS算法计算速度比时间迭代CFD方法提高1~2个数量级，且可大幅降低内存消耗。SSPNS算法的高效性，预示着它在高超声速飞行器构型优化中的应用前景十分广阔。