MHD flow of upper-convected Maxwell fluid over porous stretching sheet using successive Taylor
射频负偏压等离子体鞘层流体动力学模拟_吕少波(1)
为使得模型自洽, 还需建立表示瞬时鞘层厚 度 d s( t ) 与瞬时极板电势 V e( t ) 之间关系的电流 平衡方程 Edelberg 和 Aydil
[ 7]
引入一个等效电路模型
模型中, 鞘层被看成是由二极管、 电容和电流源组 成的并联电路 假定施加在基板上的射频电源的电 流呈正弦变化, 则可得到如下电流平衡方程: eu i( 0, t ) n i( 0, t ) A C s( t ) eV e ( t ) eu e n 0 A exp k BT e 4 ( 5)
Abstract: A self consist ent f luid model w as developed describing t he spatiotemporal charact erist ics of parameters in the radio - frequency plasma sheat h under DC bias w it hout molecule collision, considering t he effect of DC negat ive bias of electrode on ion mot ion. In the model, t he thickness of t he sheath was regarded as a funct ion of t ime, and the relat ionship betw een t he instant aneous sheat h thickness and potent ial drop of sheat h w as established by an equivalent circuit model. Sim ulat ion result s showed that the electrode presents a cyclically non - sinusoidal potent ial. T he variat ion cy cles of bot h sheath t hickness and potent ial of elect rode are t he same in opposit e trends, and t hey lag slight ly behind radio - frequency cycle. Key words: radio - f requency plasma; DC bias; collisionless; sheat h; f luid model 射频等离子增强化学气相沉积( RF PECVD) 技术是利用射频电源使反应气体产生辉光放电, 激发形成等离子体在衬底表面沉积薄膜 等离子 体边界附近存在着非电中性的鞘层, 其物理特性 对薄膜的沉积速率、 薄膜的结构、 质量和性能起决 [ 1- 4] 定性的作用 系统研究等离子体鞘层物理特 性对认识薄膜沉积机理 , 改进沉积工艺具有重要 的意义 基于 RF500 型 DL C 镀膜机, 采 用流体动力 学方法建立了一种自洽的无碰撞射频等离子体鞘 层动力学模型 采用数值离散方法对方程组进行 求解 , 模拟等离子体物理特性
基于三种亚格子模型的空腔振荡流动计算
基于三种亚格子模型的空腔振荡流动计算白海涛;赖焕新【摘要】使用三种亚格子应力模型,对长深比(L/D)为5的三维矩形开式空腔的可压缩流体进行大涡模拟计算.研究得到的空腔自激振荡频率与Rossiter公式计算结果和实验结果吻合良好,结果显示振荡能量主要集中在较低频率区域,压力幅值主要出现在前三阶模态.Dynamic Smagorinsky-Lilly (DSM)模型在空腔前后壁面附近区域的脉动强度分布比Smagorinsky-Lily(SM)模型更为接近实验值,Wall Adapting Local Eddy Viscosity(WALE)模型的脉动强度分布与实验值最为接近.由空腔底部监测点声压级分布及声压频谱图可以看出:WALE模型性能最佳,DSM模型结果也与实验结果相符合,SM模型的预测性能略差.【期刊名称】《华东理工大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2016(042)001【总页数】7页(P125-131)【关键词】开式空腔;自激振荡;大涡模拟;亚格子应力模型;气动噪声【作者】白海涛;赖焕新【作者单位】华东理工大学承压系统与安全教育部重点实验室,上海200237;华东理工大学承压系统与安全教育部重点实验室,上海200237【正文语种】中文【中图分类】O353.4流体流过物体表面的空腔或缺口时，由于腔外剪切流与腔内流动的相互作用，会出现自激振荡现象，同时出现剧烈的压力、速度脉动，并辐射产生强烈的噪声，该物理现象称为空腔自激振荡。
空腔自激振荡现象广泛存在于飞行器的起落架舱、武器舱及燃烧室等部位，是典型的声-涡干涉、非定常流和流体动力不稳定问题。
从20世纪50年代开始，人们对空腔自激振荡流动特性做了大量研究。
关于开式空腔自激振荡物理机制，虽然有多种解释，但最被人们接受的是Rossiter［1］提出的空腔流声共振反馈模型并给出了预估振荡频率的半经验公式，该公式在一定精度范围内能够较为准确地预测空腔流激振荡的峰值频率，成为评价数值模拟结果的重要标准。
不可压缩磁流体方程组在Besov空间中的爆破准则
数学物理学报2019,39A(1):67-80http://actam s.w 不可压缩磁流体方程组在B e s o v空间中的爆破准则*尚朝阳(上海交通大学数学科学学院上海200240)摘要：该文给出了三维不可压缩磁流体（M H D)方程组在带有负指数的非齐次B e s o v空间中的爆破准则.结果表明方程组的经典解存在时间有限当且仅当范数||•||v e趋于无穷，这里所定义的范数||•||v©比非齐次B e s o v空间中的范数||•||Ba-i弱，其中0 <a< 1.关键词：不可压缩M H D方程组；非齐次B e s o v空间；爆破准则.M R(2010)主题分类：35Q35; 76D03 中图分类号：O175.2 文献标识码：A文章编号：1003-3998(2019)01-67-141引言该文研究如下三维不可压缩M H D方程组在B e so v空间中的爆破准则^1u t —i^A u +u •V u—b -V b+ V p =0,^bt- n+u • Vb -b •V u=0, (11)V • u =V•b=0,u(x, 0) =u〇(x), b(x, 0) =b〇(x),其中u =(u K x J L u Y x J L u3^，^))，b=(b K x J L b Y x J L b3^，^))和p =p(x，t)分别表示流 体的速度，空间磁场强度和流体单位面积上受到的压力，自变量（x,t)G R3x R+. u〇和b〇是初始值并且满足V. u〇=V. b〇=0• v >0是粘性系数，n >0是磁扩散系数•当v =n =0 时，系统（1.1)称为理想的M H D方程，当流体不受电磁影响时，即b =0,系统（1.1)退化为 不可压缩的N avier-Stokes方程组.关于M H D方程组的理论研究可以追溯到1942年A lfve n[1]通过导电流体来研究电磁动 力波的产生机制.此后，不可压缩M H D方程组主要被用来描述导电流体在磁场中的运动，它有着重要的物理意义和广泛的应用领域，例如在地球物理学，天体物理学和工程问题等领 域（详见文献[19]).近些年，M H D方程组的数学研究得到了许多学者的关注并且获得了丰 富的进展•D u v a u t和Lions [10]建立了局部强解和L e ra y-H o p f型的全局弱解•文献[13]给 出了M H D方程组从弱解到经典解的充分条件，弱解和经典解的局部行为详见文献[14]•对收稿日期：2017-02-17;修订日期：2018-04-22E-mail: shangzhaoyang@*基金项目：国家自然科学基金（11571232, 11611130024)Supported by the NSFC (11571232, 11611130024)68数学物理学报Vol.39A于系统（1.1)在不同函数空间的局部适定性结果，有兴趣的读者可以参考文献[8-9, 23, 29] 以及其它相关文献.然而，关于三维M H D方程组的弱解正则性仍然是公开问题，因此研究 系统（1.1)强解或经典解的爆破准则机制和奇性的产生变得相当重要.对于退化情形的三维 Navier-Stokes方程组，1934年L e ra y在能量空间厶⑵取十:厶”门^取十;^1)中给出了全局弱 解的存在性.随后相继出现了多种类型的爆破准则，S e rrin型爆破准则（参见文献[11，20, 25, 28])描述了如果下列条件{u G L i([0, T]-,LP(Rd)),-+-=1, d<P<+o o,q p\ u G C([0,T]; L3(R3)),(1.2)\u G LT O([0,T]; L d(R d)), d>4满足其中一个，那么L e ra y型弱解可以在局部时间[0,T]上保持光滑.在文献[4]中，B e a l e 等人证明了 BKM型爆破准则，如果||w(T)||L~dr <(1.3)成立，那么三维E u le r方程组（v=0)的经典解u在时间[0,T]上保持光滑，其中w=Vx u 是速度的旋度.最近，Z h a n g和Y a n g [46]给出了带有负指数B e s o v空间中的爆破准则，如果满足条件\\w(T)\\2.r r d r<+〇〇,0 <r<2,(1.4)那么方程组C a u c h y问题的弱解可以在时间[0,T]上保持光滑.更多关于N a v ie r-S t o k e s方程 组或E uler方程组的爆破准则结果可以参考文献[16-17, 31]以及其它相关文献.对于三维不可压M H D方程组，W u在文献[32-33]中给出了依赖于速度u和磁场强度 6的S e rrin型爆破准则.C a flis c h等人将BKM型爆破准则推广到了三维理想的M H D方程组(II w(t)II l~+j(T)l|L~)d T < +叫(1.5)其中j =Vx 6是磁场6的旋度.最近文献[5, 43]分别将BKM型爆破准则（1.5)推广到了B e so v空间/〇Iw(t)II b。
转底炉内冶金粉尘还原过程数值模拟
第２０卷第２期材 料 与 冶 金 学 报Ｖｏｌ ２０Ｎｏ ２ 收稿日期：２０２１ ０１ ０８． 基金项目：国家重点研发计划项目（２０１７ＹＦＢ０３０４０００）． 作者简介：郑占一（１９９５—），男，硕士研究生，Ｅ ｍａｉｌ：ｚｈｅｎｇｚｙ＠ｓｔｕｍａｉｌ ｎｅｕ ｅｄｕ ｃｎ． 通讯作者：齐凤升（１９８０─），男，副教授，Ｅ ｍａｉｌ：ｑｉｆｓ＠ｍａｉｌ ｎｅｕ ｅｄｕ ｃｎ．２０２１年６月ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓａｎｄＭｅｔａｌｌｕｒｇｙＪｕｎｅ２０２１ｄｏｉ：１０ １４１８６／ｊ ｃｎｋｉ １６７１－６６２０ ２０２１ ０２ ００２转底炉内冶金粉尘还原过程数值模拟郑占一，齐凤升，刘中秋，李宝宽（东北大学冶金学院，沈阳１１０８１９）摘 要：基于计算流体力学方法并以收缩核模型为基础建立了转底炉内燃烧、烟气流动、气体与冶金粉尘球团传热传质及冶金粉尘球团化学反应的全耦合数学模型，计算了中径３６ｍ的转底炉内流场、温度场及冶金粉尘球团内铁氧化物的还原反应，重点分析了球团内部各种铁氧化物浓度及球团的金属化率．采用文献中球团在高温硅钼炉内进行的还原实验验证了模型的可靠性．结果表明，在本文工况下，经过一个工作周期（２５ｍｉｎ），炉膛内烟气流速随流动方向逐渐增大，转底炉中径处球团温度为１４１６ ７Ｋ，铁的浓度由３４７７ ５０ｍｏｌ／ｍ３增长至９７１９ ９４ｍｏｌ／ｍ３，冶金粉尘球团的金属化率最高可达９０ ８５％，平均金属化率为８１ ４２％．关键词：转底炉；冶金粉尘球团；收缩核模型；直接还原；金属化率中图分类号：ＴＦ０６２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７１ ６６２０（２０２１）０２ ００８５ ０７ＮｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｍｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌｄｕｓｔｒｅｄｕｃｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｉｎｒｏｔａｒｙｈｅａｒｔｈｆｕｒｎａｃｅＺｈｅｎｇＺｈａｎｙｉ，ＱｉＦｅｎｇｓｈｅｎｇ，ＬｉｕＺｈｏｎｇｑｉｕ，ＬｉＢａｏｋｕａｎ（ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｔａｌｌｕｒｇｙ，ＮｏｒｔｈｅａｓｔｅｒｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ１１０８１９，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｆｕｌｌｙｃｏｕｐｌｅｄｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｍｏｄｅｌｏｆｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ，ｇａｓｆｌｏｗ，ｈｅａｔａｎｄｍａｓｓｔｒａｎｓｆｅｒ，ｃｈｅｍｉｃａｌｒｅａｃｔｉｏｎｉｎｍｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌｄｕｓｔｐｅｌｌｅｔｓｗａｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｂａｓｅｄｏｎｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌｆｌｕｉｄｄｙｎａｍｉｃｓｍｅｔｈｏｄａｎｄｓｈｒｉｎｋｉｎｇｃｏｒｅｍｏｄｅｌ．Ｔｈｅｆｌｏｗａｎｄｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄ，ｒｅｄｕｃｔｉｏｎｒｅａｃｔｉｏｎｏｆｉｒｏｎｏｘｉｄｅｏｆａ３６ｍｒｏｔａｒｙｈｅａｒｔｈｆｕｒｎａｃｅｗｅｒｅｃａｌｃｕｌａｔｅｄｂｙｔｈｉｓｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｍｏｄｅ．Ｔｈｅｍｏｌａｒｉｔｙｏｆｉｒｏｎｏｘｉｄｅｓａｎｄｔｈｅｉｒｏｎｍｅｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎｒａｔｅｏｆｃｏｍｐｏｓｉｔｅｐｅｌｌｅｔｓｗｅｒｅａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｏｆｒｅｄｕｃｔｉｏｎｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｉｎｔｈｅｌｉｔｅｒａｔｕｒｅｗａｓｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｔｏｖｅｒｉｆｙｔｈｅｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｍｏｄｅｌ．Ｄｕｒｉｎｇｏｎｅｗｏｒｋｉｎｇｃｙｃｌｅ（２５ｍｉｎ），ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔＴｈｅｖｅｌｏｃｉｔｙｏｆｇａｓｉｎｔｈｅｆｕｒｎａｃｅｉｎｃｒｅａｓｅｄｇｒａｄｕａｌｌｙｗｉｔｈｔｈｅｆｌｏｗｄｉｒｅｃｔｉｏｎ．Ｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｆｔｈｅｐｅｌｌｅｔｓａｔｔｈｅｍｉｄｄｌｅｄｉａｍｅｔｅｒｏｆｔｈｅｒｏｔａｒｙｈｅｒａｔｈｆｕｒｎａｃｅｗａｓ１４１６ ７Ｋ，ａｎｄｔｈｅｉｒｏｎｍｏｌａｒｉｔｙｉｎｃｒｅａｓｅｓｆｒｏｍ３４７７ ５０ｍｏｌ／ｍ３ｔｏ９７１９ ９４ｍｏｌ／ｍ３，ｔｈｅｈｉｇｈｅｓｔｉｒｏｎｍｅｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎｒａｔｅｏｆｔｈｅｐｅｌｌｅｔｓｗａｓ９０ ８５％，ａｎｄｔｈｅａｖｅｒａｇｅｉｒｏｎｍｅｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎｒａｔｅｗａｓ８１ ４２％．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｒｏｔａｒｙｈｅａｒｔｈｆｕｒｎａｃｅ；ｍｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌｄｕｓｔｐｅｌｌｅｔｓ；ｓｈｒｉｎｋｉｎｇｃｏｒｅｍｏｄｅｌ；ｄｉｒｅｃｔｒｅｄｕｃｔｉｏｎ；ｉｒｏｎｍｅｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎｒａｔｅ 钢铁行业是我国经济的支柱性产业，其生产过程会产生大量的冶金粉尘，产生量约为粗钢产量的８％～１２％［１－２］．２０２０年我国钢铁行业粗钢产量为１０ ６５亿ｔ，冶金粉尘产量至少为８５１８万ｔ．钢铁企业冶金粉尘的含铁量（质量分数）一般在３０％～７０％［３－４］，还含有ＺｎＯ，Ｐｂ，ＫＣｌ，ＮａＣｌ等成分．转底炉十余年来从加热炉转变为冶炼设备，既可用于铁精矿的煤基直接还原，又可处理钢铁企业的冶金粉尘［５］，逐渐成为处理冶金粉尘的主要设备．转底炉还原冶金粉尘的工作过程涉及炉底球团直接还原、炉内烟气流动、传热传质、煤气燃烧等复杂过程，因此对转底炉工作过程的研究十分困难．一些学者进行了转底炉数学模型的研究，主要是转底炉热平衡计算和炉内状态模拟［６－７］及对转底炉的加热制度和加热设备的模拟计算［８－９］．刘颖等［１０－１１］以球团为研究对象，建立了转底炉还原冶金粉尘球团过程一维非稳态数学模型，研究了影响球团金属化率的主要因素，按重要程度排序依次为：炉膛温度＞球团直径＞反应时间＞碳氧比．Ｗｕ等［１２－１３］建立了转底炉直接还原过程的集成模型，将转底炉的三维ＣＦＤ模型与球团内部直接还原的一维模型进行迭代，描述金属氧化物的还原过程．Ｄａｓｇｕｐｔａ等［１４］在转底炉还原球团矿的数学模型中将单球团模型扩展为多层球团模型，给出了时间－温度和时间－温度－化学吸热等值线，以及多床层系统产生的净热流和一氧化碳产生量．这些对球团的研究模型能够反映球团内部组分的化学反应状况及浓度变化，但缺少球团化学反应与转底炉内部过程的耦合计算，不能反映球团在转底炉各个位置的状态．本文采用数值模拟方法建立了转底炉内燃烧与冶金粉尘球团中铁氧化物还原的全耦合数学模型，分析了冶金粉尘球团在随炉底转动过程中的温度变化，以及金属氧化物浓度、金属化率等参数．该数学模型解决了冶金粉尘球团运动与炉膛加热的传热传质问题，以及转底炉中的冶金粉尘球团中铁氧化物的还原问题，为转底炉工业应用提供理论指导．１ 数学模型１ １ 几何模型根据实际尺寸建立转底炉几何模型，如图１所示，转底炉中径为３６ｍ，炉宽５ ２７ｍ，炉高１ ６１５ｍ．烧嘴布置在距炉底０ ８０７５ｍ处，内侧布置烧嘴２６个，外侧布置烧嘴３８个，各区域角度及出口、入口如图１（ａ）所示．对计算区域进行网格划分，考虑计算量、计算速度和时间成本，经网格无关性验证，确定网格数量为１５０万个，炉膛上方燃烧区域为非结构网格，炉底料层区域为结构化网格，如图１（ｂ）所示．１ ２ 控制方程１ ２ １ 基本控制方程在转底炉工作中伴随着燃烧、传热传质及化学反应等过程，这些物理化学变化在转底炉工作过程中相互作用．转底炉内部烟气流动、传热传质及化学反应过程满足质量、动量及能量守恒．各个过程的守恒方程如下：连续性方程：ρｔ＋ ·（ρ珒ν）＝０（１）动量方程：ｔ（ρ珒ν）＋ ·（ρ珒ν 珒ν）＝!"#烧嘴还原一区还原四区还原二区还原二区均热区预热区布料排料区烟气出口物料出口物料入口烧嘴还原三区$%&' $%&'$%&''(&($)&(*(&( *+&'排烟区,-.图１ 转底炉几何模型及网格划分Ｆｉｇ １ ＧｅｏｍｅｔｒｉｃｍｏｄｅｌａｎｄｇｒｉｄｓｏｆＲＨＦ（ａ）—几何模型；（ｂ）—网格划分－ ｐ＋·μ 珒ν＋ 珒ν()Ｔ－２３ ·珒ν[]Ｉ（２）能量方程：ｔρ()Ｅ＋ ·珒νρＥ＋()[]ｐ＝ ·ｋｅｆｆ Ｔ－∑ｉｈｉ珒Ｊ()ｉ（３）式（１）～（３）中，ρ为密度，ｋｇ／ｍ３；ｔ为时间，ｓ；珒ν为速度矢量，ｍ／ｓ；ｐ为压力，Ｐａ；μ为黏度，Ｐａ·ｓ；Ｉ为单位张量；Ｅ为总能量，Ｊ／ｋｇ；Ｔ为温度，Ｋ；ｋｅｆｆ为有效传热系数，Ｗ／（ｍ·Ｋ）；ｈｉ为显焓，Ｊ／ｋｇ；Ｊｉ为扩散通量，ｋｇ／（ｍ３·ｓ）．１ ２ ２ 湍流模型对于转底炉内烟气的湍流流动，采用标准ｋ－ε模型．湍动能ｋ和耗散率ε的控制方程为：ｔρ()ｋ＋ ·ρｋ珒()ν＝·μ＋μｔσ()ｋ[]ｋ＋６８材料与冶金学报 第２０卷Ｇｋ＋Ｇｂ－ρε－ＹＭ（４）ｔ（ρε）＋ ·（ρε珒ν）＝·μ＋μｔσ()ε[]ｋ＋Ｃ１εεｋＧｋ－Ｃ２ερε２ｋ（５）式（４）～（５）中，ｋ为湍动能，ｍ２／ｓ２；μｔ为湍流黏度，Ｐａ·ｓ；ε表示湍动能耗散率；Ｇｋ表示速度梯度产生的湍动能，Ｊ／（ｍ３·ｓ）；Ｇｂ表示浮力产生的湍动能，Ｊ／（ｍ３·ｓ）；ＹＭ表示波动和扩张对总耗散率的影响；模型常数分别为Ｃ１ε＝１ ４４，Ｃ２ε＝１ ９２，σｋ＝１ ０，σε＝１ ３．１ ２ ３ 燃烧模型组分输运模型是通过求解混合物中各个组分的对流、扩散和反应确定的守恒方程，可以描述化学物质的混合和传输过程．本文使用组分输运模型模拟各组分的质量分数：ｔ（ρＹｉ）＋ ·（ρ珒νＹｉ）＝－ ·珒Ｊｉ＋Ｒｉ（６）燃烧模型采用基于涡耗散模型的湍流－化学相互作用模型，反应产物的净生成率由式（７）和式（８）计算结果的最小值表示：Ｒｉ，ｒ＝ｖ′ｉ，ｒｍｉＡρεｋｍｉｎｗＲｖ′Ｒ，ｒｍ()Ｒ（７）Ｒｉ，ｒ＝ｖ′ｉ，ｒｍｉＡＢρεｋ∑ＰｗＰ∑Ｎｊｖ″ｊ，ｒｍｊ（８）式（６）～（８）中，Ｙｉ为组分ｉ的质量分数；ｗＰ为生成物组分的质量分数；Ｒｉ为化学反应源项，ｋｇ／（ｍ３·ｓ）；Ａ和Ｂ为经验系数，Ａ＝４，Ｂ＝０ ５；ｖ′ｉ，ｒ为反应物的化学计量数；ｖ″ｊ，ｒ为生成物的化学计量数；ｍｉ为反应物ｉ的分子质量；ｍｊ为生成物ｊ的分子质量；ｗＲ为任一反应物的质量分数；ｍＲ为任一反应物的分子质量．１ ２ ４ 辐射模型离散坐标辐射模型求解范围涵盖整个光学深度，有较高的精确度，且适用于滑移网格的计算，可表示为：·（Ｉ（珒ｒ，珒ｓ）珒ｓ）＋（ａ＋σｓ）Ｉ（珒ｒ，珒ｓ）＝ａｎ２σＴ４π＋σｓ４π∫４π０Ｉ（珒ｒ，珒ｓ′）Φ（珒ｓ·珒ｓ′）ｄΩ′（９）式（９）中，珒ｒ为位置向量；珒ｓ为方向向量；珒ｓ′为散射方向矢量；ａ为吸收系数；ｎ为折射率；σｓ为散射系数；σ为Ｓｔｅｆａｎ Ｂｏｌｔｚｍａｎｎ常数，５ ６７×１０－８Ｗ／（ｍ２·Ｋ４）；Ｉ为辐射强度，Ｗ／ｓｒ；Φ为相函数；Ω′为立体角，ｓｒ．１ ２ ５ 多孔介质模型转底炉炉底为一层冶金粉尘球团，料层空间被流体与固体混合物占据，并随着炉底转动．本研究将料层假设为一层多孔介质，用以描述流体在料层区域流动时产生的压降，同时将多孔介质区域的温度作为冶金粉尘球团反应前沿面温度．通过源项的方式实现化学反应过程中球团与炉内烟气的传热传质．多孔介质区域控制方程如下：动量方程：（γρｆ珒ν）ｔ＋ ·（γρｆ珒ν珒ν）＝－γ ｐ＋ ·（γτ）－μα珒ν＋Ｃ２１２ρ｜珒ν｜珒()ν（１０）能量方程：ｔγρｆＥｆ＋（１－γ）ρｓＥ[]ｓ＋ ·珒ν（ρｆＥｆ＋ｐ[]）＝ ·ｋｅｆｆ Ｔ－（∑ｉｈｉＪｉ）＋（τ·珒ν[]）＋∑ｊＲｊ·ΔＨｊ（１１）式（１０）～（１１）中，γ为多孔介质的孔隙率；ρｆ和ρｓ分别为流体和固体的密度，ｋｇ／ｍ３；Ｅｆ和Ｅｓ为流体与固体的能量，Ｊ／ｋｇ；Ｒｊ为化学反应速率，ｍｏｌ／（ｍ３·ｓ）；ΔＨｊ为化学反应焓变，Ｊ／ｍｏｌ．１ ２ ６ 收缩核模型对于冶金粉尘球团内部铁金属氧化物的还原，真正的还原剂为固体碳．固体碳直接还原铁氧化物可以看作铁氧化物的一氧化碳间接还原反应和碳气化反应的加和，铁氧化物的还原遵循Ｆｅ２Ｏ３→Ｆｅ３Ｏ４→ＦｅＯ→Ｆｅ的逐级还原规律．本文模型中考虑的化学反应如下：碳的气化反应：Ｃ＋ＣＯ２＝２ＣＯ铁氧化物的还原：３Ｆｅ２Ｏ３＋ＣＯ＝２Ｆｅ３Ｏ４＋ＣＯ２Ｆｅ３Ｏ４＋４ＣＯ＝３Ｆｅ＋４ＣＯ２，Ｔ＜８４３ＫＦｅ３Ｏ４＋ＣＯ＝３ＦｅＯ＋ＣＯ２，Ｔ＞８４３ＫＦｅＯ＋ＣＯ＝Ｆｅ＋ＣＯ２在生产中，将冶金粉尘球团布置在转底炉炉底，球团在炉底转动过程中接受烟气与炉壁的辐射热量，温度升高，然后在热力学条件允许时发生一系列的化学反应．本模型中使用收缩核模型描述球团内部进行的铁金属氧化物的还原反应，以７８第２期 郑占一等：转底炉内冶金粉尘还原过程数值模拟气固相反应动力学模型计算球团化学反应速率［１５］，通过自定义标量输运方程的形式与炉膛内的控制方程进行耦合求解，计算球团中各组分收缩核半径．控制方程为：ｍｊ ｔ＝－ｋ·π·ｄ２ｊ·Ｍｊ·Ｒｓ，ｊ可简化为：ｒｊｔ＝－ｋ·Ｍｊρｊ·Ｒｓ，ｊ（１２）式中，ｒｊ为各组分收缩核半径，ｍ；Ｍｊ为各组分摩尔质量，ｋｇ／ｍｏｌ；ρｊ为各组分密度，ｋｇ／ｍ３；Ｒｓ，ｊ为各化学反应界面反应速率，ｍｏｌ／（ｍ２·ｓ）．碳的气化反应速率为：Ｒｓ，Ｃ＝ｋＣｅ－ＥＣＲＴρＣ（ｐＣＯ２－ｐｅｑＣＯ２）（１３）铁氧化物还原反应速率为：Ｒｓ，ＦｅｘＯｙ＝ｋＦｅｘＯｙｅ－ＥＦｅｘＯｙＲＴρＦｅｘＯｙ（ｐＣＯ－ｐＦｅｘＯｙ，ｅｑＣＯ）（１４）式（１３）～（１４）中：Ｒｓ，Ｃ为碳气化反应速率，ｍｏｌ／（ｍ２·ｓ）；ｋＣ为碳气化反应指前因子，ｍｏｌ／（ｍ·ｋｇ·ｓ·Ｐａ）；ρＣ为碳的质量浓度，ｋｇ／ｍ３；ｐＣＯ２为反应体系中ＣＯ２分压，Ｐａ；ｐｅｑＣＯ２为碳气化反应达到平衡时ＣＯ２分压，Ｐａ；Ｒｓ，ＦｅｘＯｙ为各铁氧化物还原反应速率，ｍｏｌ／（ｍ２·ｓ）；ｋＦｅｘＯｙ为铁氧化物还原反应指前因子，ｍｏｌ／（ｍ·ｋｇ·ｓ·Ｐａ）；ρＦｅｘＯｙ为铁氧化物的质量浓度，ｋｇ／ｍ３；ｐＣＯ为反应体系中ＣＯ分压，Ｐａ；ｐＦｅｘＯｙ，ｅｑＣＯ为碳气化反应达到平衡时ＣＯ分压，Ｐａ；ＥＣ为碳气化反应表观活化能，Ｊ／ｍｏｌ；ＥＦｅｘＯｙ为铁氧化物还原反应表观活化能，Ｊ／ｍｏｌ；Ｒ为理想气体常数，８ ３１４Ｊ／（ｍｏｌ·Ｋ）．１ ３ 边界条件燃料和助燃气体入口为烧嘴出口，形状分别为圆形和与该圆同心的圆环．入口类型为速度入口，入口速度由气体流量折算．表１为流量２７０００ｍ３／ｈ、预热温度５２３Ｋ下的燃料成分．助燃空气流量为９５００ｍ３／ｈ，富氧用氧气流量为３０００ｍ３／ｈ，预热温度为７７３Ｋ．烟气出口类型为压力出口，转底炉各壁面为恒定温度，炉顶为１２０℃，炉墙及炉底为９０℃．多种冶金粉尘与黏结剂通过配比后混合，通过造球机制作成冶金粉尘球团．球团的主要成分如表２所示，本模型中将冶金粉尘球团假设为半径８ｍｍ的圆球团，球团进入转底炉前的温度为３１０Ｋ．通过滑移网格方法实现冶金粉尘球团随炉底在炉内的转动，转动速度为０ ００３５ｒａｄ／ｓ．表１燃料成分（体积分数）Ｔａｂｌｅ１ Ｆｕｅｌｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ（ｖｏｌｕｍｅｆｒａｃｔｉｏｎ）％ ＣＯＯ２ＣＯ２Ｈ２Ｎ２２３ ３５００ ８２９２９ １７５１ ４９７４５ １４９表２ 冶金粉尘球团主要成分（质量分数）Ｔａｂｌｅ２ Ｃｈｅｍｉｃａｌｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆｔｈｅｐｅｌｌｅｔ（ｍａｓｓｆｒａｃｔｉｏｎ）％ ＴＦｅＦｅ２Ｏ３ＦｅＯＭＦｅＣａＯＭｇＯＣＺｎ其他４２ ８０２７ １２１２ ７３１３ ９１９ ０１１ ８０１２ ９５１ ９１２０ ５７２ 模型验证采用文献［１２］中的实验数据对模型进行验证，将４，１０，１６，２２ｍｉｎ时球团金属化率的模拟值与实验值进行对照．金属化率为转底炉还原冶金粉尘球团的一个主要的技术指标，其计算公式为：η＝ＭＦｅＴＦｅ×１００％（１５）表３为转底炉工作不同时间后球团金属化率的模拟和测量结果．由于初始阶段的球团成分不同，转底炉工作１０ｍｉｎ内球团金属化率模拟和测量结果相差较大．１０ｍｉｎ后模拟的转底炉状态接近实验状态，可用于模型验证．最终预测误差在７ ８２％以内（一般误差在１０％以内被认为准确性较好），验证了数学模型的可靠性．表３ 球团金属化率Ｔａｂｌｅ３ Ｉｒｏｎｍｅｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎｒａｔｅｏｆｔｈｅｐｅｌｌｅｔｓｔ／ｍｉｎ实验值模拟值相对误差％４７ ２３２ １—１０３７ ９３５ ７－６ １６１６６３ ４５８ ８－７ ８２２２７７ ６８１ ５４ ７８８８材料与冶金学报 第２０卷３ 结果与讨论３ １ 转底炉内流场和温度场分布特征图２为转底炉运行一个周期（２５ｍｉｎ）后，炉膛烧嘴处（距炉底０ ８０７５ｍ）速度场矢量图．结果表明，燃气与助燃气体以恒定速度经烧嘴喷入炉膛内部，炉膛内烟气逆时针流向物料入口，烟气流速随流动方向逐渐增大，最后从烟气出口流出．图３为炉底冶金粉尘球团的温度分布图．温度为３１０Ｋ的冶金粉尘球团随着炉底的转动进入转底炉内．冶金粉尘球团顺时针运动接受烟气与炉壁的辐射热量，温度升高．在转底炉中径处球团升温最快，靠近转底炉内侧及外侧墙壁的球团则升温较缓．冶金粉尘球团在出口处被加热至１４１６ ７Ｋ，在出口处靠近内侧及外侧墙壁的球团温度则介于１２５０～１３００Ｋ之间．３ ２ 铁氧化物的还原图４为转底炉运行一个周期后冶金粉尘球团内部各种铁氧化物的收缩核半径云图，从中可以看出当冶金粉尘球团达到临界反应温度后，铁氧化物以Ｆｅ２Ｏ３→Ｆｅ３Ｏ４→ＦｅＯ的顺序逐级进行还原反应．图４（ａ）表明Ｆｅ２Ｏ３的收缩核半径在满足Ｆｅ２Ｏ３还原反应的条件后迅速减小，这是由于Ｆｅ２Ｏ３的还原反应所需的热力学和动力学条件较为简单，因此在转底炉中径处球团中Ｆｅ２Ｏ３的收缩核半径在４５０ｓ内减小至０．达到临界温度８４３Ｋ后，Ｆｅ３Ｏ４与ＦｅＯ均参与反应，收缩核半径开始减小．由于ＣＯ还原ＦｅＯ需要较高的热力学及动力学条件，从图４（ｂ）和（ｃ）中可以看出，Ｆｅ３Ｏ４的收缩核半径减小较快，ＦｅＯ的收缩核半径在还原过程中减小得较为缓慢，两者均未完全反应．!"#$%!&#%'!!#'($#$)*+%$'#'&"#$,&#&%!#''-./0图２ 转底炉烧嘴处速度矢量图Ｆｉｇ ２ ＶｅｌｏｃｉｔｙｖｅｃｔｏｒｄｉａｇｒａｍａｔｂｕｒｎｅｒｏｆＲＨＦ!"#"$%&'"((&%$)*+),-$.""&/-))""..-).".0*-1)/10-1.,$(-()&,1-(.&.)-0)$0$-*/)1&-*11$,-..(,/-.1(./-//图３ 转底炉内冶金粉尘球团温度分布ｇ ３ ＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｔｈｅｐｅｌｌｅｔｓｉｎＲＨＦ!"#""$""#""%&"#""'("#""')"#""*%"#""*+"#""&'"#""&""#"")&"#"",("#"",)"#""+%"#""++"#"""'"-./-01-21图４ 转底炉内铁氧化物收缩核半径Ｆｉｇ ４ ＲａｄｉｕｓｏｆｉｒｏｎｏｘｉｄｅｕｎｒｅａｃｔｅｄｃｏｒｅｉｎＲＨＦ（ａ）—Ｆｅ２Ｏ３；（ｂ）—Ｆｅ３Ｏ４；（ｃ）—ＦｅＯ ９８第２期 郑占一等：转底炉内冶金粉尘还原过程数值模拟 图５为冶金粉尘球团在转底炉工作一个周期后，球团内铁氧化物及铁的浓度云图．由图中可以看出，反应发生后Ｆｅ２Ｏ３的浓度减小，Ｆｅ的浓度在还原区域不断增大，而Ｆｅ３Ｏ４和ＦｅＯ在还原区域由于存在相互转化，所以浓度先上升后下降．同时，冶金粉尘球团温度分布的不均匀导致在转底炉径向上的铁氧化物的浓度分布不均匀．图６为转底炉运行一个周期后中径处的铁氧化物浓度变化曲线图．从图中可以看出，炉底在运动至距转底炉入口约６５°时，Ｆｅ２Ｏ３开始反应，运行至距入口１５０°时Ｆｅ２Ｏ３的反应基本完成，其浓度由２３７３ｍｏｌ／ｍ３减少到０．Ｆｅ３Ｏ４和ＦｅＯ的浓度是一个先升高后降低的过程，炉底运动至距入口约１４５°时Ｆｅ３Ｏ４的浓度升高至最大，为１０９２ １８ｍｏｌ／ｍ３．ＦｅＯ在距入口约１００°时开始富集增多，在距入口１８０°时浓度达到最大，为３９８１ ８０ｍｏｌ／ｍ３．转底炉中ＦｅＯ的浓度最大为４６１２ ９５ｍｏｌ／ｍ３，出现在靠近转底炉的侧壁处，这是由于在侧壁处的温度较低，ＦｅＯ的反应速率较小，造成ＦｅＯ的富集时间较长，富集量较大．!"#!$#%&#%'#()*)+,,((,)+-,(,).+,,/01.+-,/12-+,,/-(-+-,/)-1+,,//01+-,/,/*+,,0.*+-,1*0+,,-,0+-,))2+,,/12+-,,34563).1/(+2-.).2+.(.,0-+02)0((+)-)--0+0()(2-+(2),)/+*/(*10+()(-+.+12((./+/1/2**+1)/*/.+/,/.-,+-2//0*+,.2()+-,34563)2*()+022(**+*(00)/+--0)0-+)0*2)2+(/*.2)+,.*,.1+0*11,,+121/-.+-(-*,0+)--(1(+/0.0/1+,/.)12+0.)2()+1*).**+-,34563)/,2(+/0/,/.+/12)1+/-0-0+/.*0,+/)*,(+//)(.+/,-.1+,2.10+,0)2,+,1)/(+,-().+,./-1+,)*0+,/,34563)图５ 转底炉内铁及铁氧化物的摩尔浓度Ｆｉｇ ５ ＭｏｌａｒｉｔｙｏｆｉｒｏｎａｎｄｉｒｏｎｏｘｉｄｅｉｎＲＨＦ（ａ）—Ｆｅ２Ｏ３；（ｂ）—Ｆｅ３Ｏ４；（ｃ）—ＦｅＯ；（ｄ）—Ｆｅ 图７展示了转底炉内冶金粉尘球团在炉底中径处铁的浓度及球团的金属化率．结果表明，铁氧化物在进入还原区域、经过逐级反应后，浓度不断增大，在反应后期浓度增长放缓．这是由于在反应过程中收缩核半径不断减小，反应界面的面积不断减小，使反应放缓．在转底炉工作一个周期后，转底炉中径处的冶金粉尘球团中铁的浓度由３４７７ ５０ｍｏｌ／ｍ３增长至９７１９ ９４ｍｏｌ／ｍ３；同时，在转底炉的中径处球团金属化率由３２ ５０％增大至９０ ８５％．图８展示了转底炉工作一个周期后，出口处的冶金粉尘球团的金属化率．结果表明，在出口中心处球团的金属化率最大，为９０ ８５％；中０９材料与冶金学报 第２０卷心两侧的球团金属化率逐渐减小，出口处的冶金粉尘球团平均金属化率为８１ ４２％．!"#$% !"%$& !"$'(')''#('#''*(+%''角度,- .&(++&+++%(++%+++#(++#+++*(++*+++(+++ ,-/01 /2%.图６ 转底炉中径处铁氧化物浓度变化曲线Ｆｉｇ ６ ＭｏｌａｒｉｔｙｏｆｉｒｏｎｏｘｉｄｅｉｎｔｈｅｍｉｄｄｌｅｄｉａｍｅｔｅｒｏｆＲＨＦ!"#$% #&'(角度!" )*+,++-*+-++,*+'++浓度球团金属化率,++.+/+0+1+*+2+'+球团金属化率!3,++++.+++/+++1+++*+++2+++'+++图７ 转底炉中径处铁的浓度及球团金属化率Ｆｉｇ ７ ＭｏｌａｒｉｔｙｏｆｉｒｏｎａｎｄｉｒｏｎｍｅｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎｉｎｔｈｅｍｉｄｄｌｅｄｉａｍｅｔｅｒｏｆＲＨＦ球团金属化率!"#$#%#&'&%$距离!(&'')*)'+*+',*,'-*图８ 转底炉出口处球团金属化率Ｆｉｇ ８ ＴｈｅｉｒｏｎｍｅｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｐｅｌｌｅｔｓａｔｔｈｅｏｕｔｌｅｔｏｆＲＨＦ４ 结 论（１）在本文工况下的转底炉中径处，Ｆｅ２Ｏ３的浓度在４５０ｓ内由２３７３ｍｏｌ／ｍ３降低至０，Ｆｅ３Ｏ４和ＦｅＯ的浓度则是先升高后降低，Ｆｅ３Ｏ４的浓度在达到最大值１０９２ １８ｍｏｌ／ｍ３后也迅速减小，ＦｅＯ经历了１０４７ｓ的反应后浓度为９２３ ５０ｍｏｌ／ｍ３． （２）球团直径对球团还原的影响分为两个阶段，在７５０～１２５０ｓ的反应阶段含碳球团直径较大，金属化率升高得较快；在１２５０ｓ之后，球团金属化率随着球团直径的减小而升高得缓慢．（３）冶金粉尘球团在转底炉内经过一个周期（２５ｍｉｎ）的工作过程后，金属化率最高达９０ ８５％，转底炉出口处的平均金属化率为８１ ４２％．参考文献：［１］佘雪峰，薛庆国，王静松，等．钢铁厂含锌粉尘综合利用及相关处理工艺比较［Ｊ］．炼铁，２０１０，２９（４）：５６－６２．（ＳｈｅＸｕｅｆｅｎｇ，ＸｕｅＱｉｎｇｇｕｏ，ＷａｎｇＪｉｎｇｓｏｎｇ，ｅｔａｌ．Ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎａｎｄｒｅｌａｔｉｖｅｔｒｅａｔｍｅｎｔｏｆｚｉｎｃ ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇｄｕｓｔｉｎｉｒｏｎａｎｄｓｔｅｅｌｗｏｒｋｓ［Ｊ］．Ｉｒｏｎｍａｋｉｎｇ，２０１０，２９（４）：５６－６２．）［２］陈砚雄，冯万静．钢铁企业粉尘的综合处理与利用［Ｊ］．烧结球团，２００５，３０（５）：４２－４６．（ＣｈｅｎＹａｎｘｉｏｎｇ，ＦｅｎｇＷａｎｊｉｎｇ．Ｏｎｔｈｅｃｅｎｔｒａｌｉｚｅｄｔｒｅａｔｍｅｎｔａｎｄｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎｏｆｍｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌｄｕｓｔ［Ｊ］．ＳｉｎｔｅｒｉｎｇａｎｄＰｅｌｌｅｔｉｚｉｎｇ，２００５，３０（５）：４２－４６．）［３］ＣａｎｔａｒｉｎｏＭＶ，ＦｉｌｈｏＣＤＣ，ＭａｎｓｕｒＭＢ．Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅｒｅｍｏｖａｌｏｆｚｉｎｃｆｒｏｍｂａｓｉｃｏｘｙｇｅｎｆｕｒｎａｃｅｓｌｕｄｇｅｓ［Ｊ］．Ｈｙｄｒｏｍｅｔａｌｌｕｒｇｙ，２０１２，１１１／１１２：１２４－１２８．［４］ＳｅｎｋＤ，ＧｕｄｅｎａｕＨＷ，ＧｅｉｍｅｒＳ，ｅｔａｌ．Ｄｕｓｔｉｎｊｅｃｔｉｏｎｉｎｉｒｏｎａｎｄｓｔｅｅｌｍｅｔａｌｌｕｒｇｙ［Ｊ］．ＩＳＩＪＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ，２００６，４６（１２）：１７４５－１７５１．［５］熊华文，戴彦德．转底炉直接还原技术对钢铁行业资源综合利用的意义及发展前景分析［Ｊ］．中国能源，２０１２，３４（２）：５－７，１３．（ＸｉｏｎｇＨｕａｗｅｎ，ＤａｉＹａｎｄｅ．Ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅｆｏｒｒｅｓｏｕｒｃｅｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎｏｆｒｏｔａｒｙｈｅａｒｔｈｆｕｒｎａｃｅｄｉｒｅｃｔｒｅｄｕｃｔｉｏｎｉｎｓｔｅｅｌｉｎｄｕｓｔｒｙａｎｄａｎａｌｙｓｉｓｏｆｉｔｓｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇｐｒｏｓｐｅｃｔｓ［Ｊ］．ＥｎｅｒｇｙｏｆＣｈｉｎａ，２０１２，３４（２）：５－７，１３．）［６］徐萌．转底炉煤基热风熔融炼铁工艺的基础性研究［Ｄ］．北京：北京科技大学，２００６．（ＸｕＭｅｎｇ．Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｃｏａｌｈｏｔ－ａｉｒｒｏｔａｒｙｈｅａｒｔｈｆｕｒｎａｃｅｐｒｏｃｅｓｓ［Ｄ］．Ｂｅｉｊｉｎｇ：ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＢｅｉｊｉｎｇ，２００６．）［７］高金涛，周春芳，朱荣，等．转底炉分区域供热研究［Ｊ］．北京科技大学学报，２０１４，３６（Ｓ１）：１１０－１１６．（ＧａｏＪｉｎｔａｏ，ＺｈｏｕＣｈｕｎｆａｎｇ，ＺｈｕＲｏｎｇ，ｅｔａｌ．Ｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｔｈｅｈｅａｔｓｕｐｐｌｙｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｅｃｔｉｏｎｓｉｎａｒｏｔａｒｙｈｅａｒｔｈｆｕｒｎａｃｅ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＢｅｉｊｉｎｇ，２０１４，３６（Ｓ１）：１１０－１１６．）（下转第９６页）１９第２期 郑占一等：转底炉内冶金粉尘还原过程数值模拟二者呈线性关系．（２）较大的气化剂流速会影响流体和颗粒间的换热时间，恶化换热效果．对于气固顺流式移动床应当合理地控制气化剂流速．（３）出口气体中ＣＯ的质量分数随着气化剂流速的增加而降低，减小焦炭直径有助于加快气化反应的速率，出口气体中ＣＯ的质量分数随着焦炭直径的减小而增大．参考文献：［１］毛艳丽，曲余玲，王涿．高炉熔渣处理及显热回收工艺的研究进展［Ｊ］．上海金属，２０１３，３５（３）：４５－５０．（ＭａｏＹａｎｌｉ，ＱｕＹｕｌｉｎｇ，ＷａｎｇＺｈｕｏ．Ｒｅｖｉｅｗｏｆｂｌａｓｔｆｕｒｎａｃｅｍｏｌｔｅｎｓｌａｇｔｒｅａｔｍｅｎｔａｎｄｓｅｎｓｉｂｌｅｈｅａｔｒｅｃｏｖｅｒｙｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ［Ｊ］．ＳｈａｎｇｈａｉＭｅｔａｌｓ，２０１３，３５（３）：４５－５０．）［２］ＬｉＰ，ＱｉｎＱ，ＹｕＱＢ，ｅｔａｌ．Ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙｓｔｕｄｙｆｏｒｔｈｅｓｙｓｔｅｍｏｆｃｏａｌｇａｓｉｆｉｃａｔｉｏｎｂｙｍｏｌｔｅｎｂｌａｓｔｆｕｒｎａｃｅｓｌａｇ［Ｊ］．ＡｄｖａｎｃｅｄＭａｔｅｒｉａｌｓＲｅｓｅａｒｃｈ，２０１０，９７／１０１：２３４７－２３５１．［３］杨世亮．流化床内稠密气固两相流动机理的ＣＦＤ－ＤＥＭ耦合研究［Ｄ］．杭州：浙江大学，２０１４．（ＹａｎｇＳｈｉｌｉａｎｇ．ＣＦＤ ＤＥＭｃｏｕｐｌｉｎｇｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｏｆｄｅｎｓｅｔｗｏ ｐｈａｓｅｆｌｏｗｍｅｃｈａｎｉｓｍｓｉｎｆｌｕｉｄｉｚｅｄｂｅｄｓ［Ｄ］．Ｈａｎｇｚｈｏｕ：ＺｈｅｊｉａｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，２０１４．）［４］ＹａｎＬＢ，ＣａｏＹ，ＺｈｏｕＨ，ｅｔａｌ．Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｏｎｂｉｏｍａｓｓｓｔｅａｍｇａｓｉｆｉｃａｔｉｏｎｉｎａｄｕａｌｆｌｕｉｄｉｚｅｄｂｅｄｒｅａｃｔｏｒｗｉｔｈｔｈｅｇｒａｎｕｌａｒｋｉｎｅｔｉｃｔｈｅｏｒｙ［Ｊ］．ＢｉｏｒｅｓｏｕｒｃｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０１８，２６９：３８４－３９２．［５］ＬｉｕＤＹ，ＣｈｅｎＸＰ，ＺｈｏｕＷ，ｅｔａｌ．ＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｃｈａｒａｎｄｐｒｏｐａｎｅｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｉｎａｆｌｕｉｄｉｚｅｄｂｅｄｂｙｅｘｔｅｎｄｉｎｇＤＥＭ ＣＦＤａｐｐｒｏａｃｈ［Ｊ］．ＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆｔｈｅＣｏｍｂｕｓｔｉｏｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，２０１１，３３（２）：２７０１－２７０８．［６］ＫｕＸＫ，ＬｉＴ，Ｌ ｖ ｓＴ．ＣＦＤ ＤＥＭｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｂｉｏｍａｓｓｇａｓｉｆｉｃａｔｉｏｎｗｉｔｈｓｔｅａｍｉｎａｆｌｕｉｄｉｚｅｄｂｅｄｒｅａｃｔｏｒ［Ｊ］．ＣｈｅｍｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＳｃｉｅｎｃｅ，２０１５，１２２：２７０－２８３．［７］ＬｉｕＭＬ，ＣｈｅｎＭ，ＬｉＴＪ，ｅｔａｌ．ＣＦＤ－ＤＥＭ－ＣＶＤｍｕｌｔｉ ｐｈｙｓｉｃａｌｆｉｅｌｄｃｏｕｐｌｉｎｇｍｏｄｅｌｆｏｒｓｉｍｕｌａｔｉｎｇｐａｒｔｉｃｌｅｃｏａｔｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｉｎｓｐｏｕｔｂｅｄ［Ｊ］．Ｐａｒｔｉｃｕｏｌｏｇｙ，２０１９，４２：６７－７８．［８］ＬｉｕＤＹ，ＢｕＣＳ，ＣｈｅｎＸＰ．ＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｎｄｔｅｓｔｏｆＣＦＤ ＤＥＭｍｏｄｅｌｆｏｒｃｏｍｐｌｅｘｇｅｏｍｅｔｒｙ：ａｃｏｕｐｌｉｎｇａｌｇｏｒｉｔｈｍｆｏｒＦｌｕｅｎｔａｎｄＤＥＭ［Ｊ］．Ｃｏｍｐｕｔｅｒｓ＆ＣｈｅｍｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１３，５８：２６０－２６８．［９］ＣｒｏｗｅＣＴ，ＳｏｍｍｅｒｆｅｌｄＭ，ＴｓｕｊｉＹ．Ｍｕｌｔｉｐｈａｓｅｆｌｏｗｓｗｉｔｈｄｒｏｐｌｅｔｓａｎｄｐａｒｔｉｃｌｅｓ［Ｍ］．Ｆｌｏｒｉｄａ：ＣＲＣＰｒｅｓｓ，１９９８．［１０］ＧｉｄａｓｐｏｗＤ．Ｍｕｌｔｉｐｈａｓｅｆｌｏｗａｎｄｆｌｕｉｄｉｚａｔｉｏｎ：ｃｏｎｔｉｎｕｕｍａｎｄｋｉｎｅｔｉｃｔｈｅｏｒｙｄｅｓｃｒｉｐｔｉｏｎ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＮｏｎ ＮｅｗｔｏｎｉａｎＦｌｕｉｄＭｅｃｈａｎｉｃｓ，１９９４，５５（２）：２０７－２０８．［１１］王帅．流化床内稠密气固两相反应流的欧拉 拉格朗日数值模拟研究［Ｄ］．杭州：浙江大学，２０１９．（ＷａｎｇＳｈｕａｉ．Ｅｕｌｅｒｉａｎ Ｌａｇｒａｎｇｉａｎｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｄｅｎｓｅｒｅａｃｔｉｖｅｇａｓ ｓｏｌｉｄｆｌｏｗｓｉｎｆｌｕｉｄｉｚｅｄｂｅｄｓ［Ｄ］．Ｈａｎｇｚｈｏｕ：ＺｈｅｊｉａｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，２０１９．）（上接第９１页）［８］ＬａｎｄｆａｈｒｅｒＭ，ＳｃｈｌｕｃｋｎｅｒＣ，ＰｒｉｅｌｅｒＲ，ｅｔａｌ．ＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆａｎｕｍｅｒｉｃａｌｌｙｅｆｆｉｃｉｅｎｔｍｏｄｅｌｄｅｓｃｒｉｂｉｎｇａｒｏｔａｒｙｈｅａｒｔｈｆｕｒｎａｃｅｕｓｉｎｇＣＦＤ［Ｊ］．Ｅｎｅｒｇｙ，２０１９，１８０：７９－８９．［９］赵凯，宫晓然，胡长庆，等．转底炉用蓄热式烧嘴的模拟［Ｊ］．材料与冶金学报，２０１５，１４（２）：１２１－１２５．（ＺｈａｏＫａｉ，ＧｏｎｇＸｉａｏｒａｎ，ＨｕＣｈａｎｇｑｉｎｇ，ｅｔａｌ．Ａｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｆｏｒｎｏｚｚｌｅｏｆｒｏｔａｒｙｈｅａｒｔｈｆｕｒｎａｃｅ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓａｎｄＭｅｔａｌｌｕｒｇｙ，２０１５，１４（２）：１２１－１２５．）［１０］刘颖．转底炉内冶金粉尘含碳球团直接还原过程数学模型研究［Ｄ］．北京：北京科技大学，２０１５．（ＬｉｕＹｉｎｇ．Ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｍｏｄｅｌｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｏｆｄｉｒｅｃｔｒｅｄｕｃｔｉｏｎｏｆｃａｒｂｏｎ ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇｐｅｌｌｅｔｓｍａｄｅｏｆｍｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌｄｕｓｔｉｎａｒｏｔａｒｙｈｅａｒｔｈｆｕｒｎａｃｅ［Ｄ］．Ｂｅｉｊｉｎｇ：ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＢｅｉｊｉｎｇ，２０１５．）［１１］ＬｉｕＹ，ＳｕＦ，ＷｅｎＺ，ｅｔａｌ．ＣＦＤｍｏｄｅｌｉｎｇｏｆｆｌｏｗ，ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ａｎｄｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｆｉｅｌｄｓｉｎａｐｉｌｏｔ ｓｃａｌｅｒｏｔａｒｙｈｅａｒｔｈｆｕｒｎａｃｅ［Ｊ］．ＭｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌａｎｄＭａｔｅｒｉａｌｓＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓＢ，２０１４，４５（１）：２５１－２６１．［１２］ＷｕＹＬ，ＪｉａｎｇＺＹ，ＺｈａｎｇＸＸ，ｅｔａｌ．Ｍｏｄｅｌｉｎｇｏｆｔｈｅｒｍｏｃｈｅｍｉｃａｌｂｅｈａｖｉｏｒｉｎａｎｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ｓｃａｌｅｒｏｔａｒｙｈｅａｒｔｈｆｕｒｎａｃｅｆｏｒｍｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌｄｕｓｔｒｅｃｙｃｌｉｎｇ［Ｊ］．ＭｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌａｎｄＭａｔｅｒｉａｌｓＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓＢ，２０１７，４８（５）：２４０３－２４１８．［１３］ＷｕＹＬ，ＪｉａｎｇＺＹ，ＺｈａｎｇＸＸ，ｅｔａｌ．Ｐｒｏｃｅｓｓｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆｍｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌｄｕｓｔｒｅｃｙｃｌｉｎｇｂｙｄｉｒｅｃｔｒｅｄｕｃｔｉｏｎｉｎｒｏｔａｒｙｈｅａｒｔｈｆｕｒｎａｃｅ［Ｊ］．ＰｏｗｄｅｒＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０１８，３２６：１０１－１１３．［１４］ＤａｓｇｕｐｔａＳ，ＳａｌｅｅｍＳ，ＳｒｉｒａｎｇａｍＰ，ｅｔａｌ．Ａｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌｓｔｕｄｙｏｎｔｈｅｒｅｄｕｃｔｉｏｎｂｅｈａｖｉｏｒｏｆｉｒｏｎｏｒｅ／ｃａｒｂｏｎｃｏｍｐｏｓｉｔｅｐｅｌｌｅｔｓｉｎｂｏｔｈｓｉｎｇｌｅａｎｄｍｕｌｔｉ ｌａｙｅｒｂｅｄｒｏｔａｒｙｈｅａｒｔｈｆｕｒｎａｃｅ［Ｊ］．ＭｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌａｎｄＭａｔｅｒｉａｌｓＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓＢ，２０２０，５１（２）：８１８－８２６．［１５］华一新．冶金过程动力学导论［Ｍ］．北京：冶金工业出版社，２００４：１６２－１６５．（ＨｕａＹｉｘｉｎ．Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎｔｏｋｉｎｅｔｉｃｓｏｆｍｅｔａｌｌｕｒｇｙｐｒｏｃｅｓｓ［Ｍ］．Ｂｅｉｊｉｎｇ：ＭｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌＩｎｄｕｓｔｒｙＰｒｅｓｓ，２００４：１６２－１６５．）６９材料与冶金学报 第２０卷。
Mach_数和壁面温度对HyTRV_边界层转捩的影响
第９卷㊀第２期２０２４年３月气体物理ＰＨＹＳＩＣＳＯＦＧＡＳＥＳＶｏｌ.９㊀Ｎｏ.２Ｍａｒ.２０２４㊀㊀ＤＯＩ:１０.１９５２７/ｊ.ｃｎｋｉ.２０９６￣１６４２.１０９８Ｍａｃｈ数和壁面温度对ＨｙＴＲＶ边界层转捩的影响章录兴ꎬ㊀王光学ꎬ㊀杜㊀磊ꎬ㊀余发源ꎬ㊀张怀宝(中山大学航空航天学院ꎬ广东深圳５１８１０７)ＥｆｆｅｃｔｓｏｆＭａｃｈＮｕｍｂｅｒａｎｄＷａｌｌＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｎＨｙＴＲＶＢｏｕｎｄａｒｙＬａｙｅｒＴｒａｎｓｉｔｉｏｎＺＨＡＮＧＬｕｘｉｎｇꎬ㊀ＷＡＮＧＧｕａｎｇｘｕｅꎬ㊀ＤＵＬｅｉꎬ㊀ＹＵＦａｙｕａｎꎬ㊀ＺＨＡＮＧＨｕａｉｂａｏ(ＳｃｈｏｏｌｏｆＡｅｒｏｎａｕｔｉｃｓａｎｄＡｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓꎬＳｕｎＹａｔ￣ｓｅｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬＳｈｅｎｚｈｅｎ５１８１０７ꎬＣｈｉｎａ)摘㊀要:典型的高超声速飞行器流场存在着复杂的转捩现象ꎬ其对飞行器的性能有着显著的影响ꎮ针对ＨｙＴＲＶ这款接近真实高超声速飞行器的升力体模型ꎬ采用数值模拟方法ꎬ研究Ｍａｃｈ数和壁面温度对ＨｙＴＲＶ转捩的影响规律ꎮ采用课题组自研软件开展数值计算ꎬＭａｃｈ数的范围为３~８ꎬ壁面温度的范围为１５０~９００Ｋꎮ首先对γ￣Ｒｅ~θｔ转捩模型和ＳＳＴ湍流模型进行了高超声速修正:将压力梯度系数修正㊁高速横流修正引入到γ￣Ｒｅ~θｔ转捩模型ꎬ并对ＳＳＴ湍流模型闭合系数β∗和β进行可压缩修正ꎻ然后开展了网格无关性验证ꎬ通过与实验结果对比ꎬ确认了修正后的数值方法和软件平台ꎻ最终开展Ｍａｃｈ数和壁面温度对ＨｙＴＲＶ边界层转捩规律的影响研究ꎮ计算结果表明ꎬ转捩区域主要集中在上表面两侧㊁下表面中心线两侧ꎻ增大来流Ｍａｃｈ数ꎬ上下表面转捩起始位置均大幅后移ꎬ湍流区大幅缩小ꎬ但仍会存在ꎬ同时上表面层流区摩阻系数不断增大ꎬ下表面湍流区摩阻系数不断减小ꎻ升高壁面温度ꎬ上下表面转捩起始位置先前移ꎬ然后快速后移ꎬ最终湍流区先后几乎消失ꎮ关键词:转捩ꎻＨｙＴＲＶꎻ摩阻ꎻＭａｃｈ数ꎻ壁面温度㊀㊀㊀收稿日期:２０２３￣１２￣１３ꎻ修回日期:２０２４￣０１￣０２基金项目:国家重大项目(ＧＪＸＭ９２５７９)ꎻ广东省自然科学基金－面上项目(２０２３Ａ１５１５０１００３６)ꎻ中山大学中央高校基本科研业务费专项资金(２２ｑｎｔｄ０７０５)第一作者简介:章录兴(１９９８ )㊀男ꎬ硕士ꎬ主要研究方向为高超声速空气动力学ꎮＥ￣ｍａｉｌ:184****8082＠１６３.ｃｏｍ通信作者简介:张怀宝(１９８５ )㊀男ꎬ副教授ꎬ主要研究方向为空气动力学ꎮＥ￣ｍａｉｌ:ｚｈａｎｇｈｂ２８＠ｍａｉｌ.ｓｙｓｕ.ｅｄｕ.ｃｎ中图分类号:Ｖ２１１ꎻＶ４１１㊀㊀文献标志码:ＡＡｂｓｔｒａｃｔ:Ｔｈｅｒｅｉｓａｃｏｍｐｌｅｘｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎｉｎｔｈｅｆｌｏｗｆｉｅｌｄｏｆａｔｙｐｉｃａｌｈｙｐｅｒｓｏｎｉｃｖｅｈｉｃｌｅꎬｗｈｉｃｈｈａｓａｓｉｇｎｉｆｉ￣ｃａｎｔｉｍｐａｃｔｏｎｔｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｔｈｅｖｅｈｉｃｌｅ.ＴｈｅｅｆｆｅｃｔｓｏｆＭａｃｈｎｕｍｂｅｒａｎｄｗａｌｌｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｎｔｈｅｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｏｆＨｙＴＲＶｗｅｒｅｓｔｕｄｉｅｄｂｙｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｓ.Ｔｈｅｓｅｌｆ￣ｄｅｖｅｌｏｐｅｄｓｏｆｔｗａｒｅｏｆｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｇｒｏｕｐｗａｓｕｓｅｄｔｏｃａｒｒｙｏｕｔｎｕ￣ｍｅｒｉｃａｌｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｓ.ＴｈｅｒａｎｇｅｏｆＭａｃｈｎｕｍｂｅｒｗａｓ３~８ꎬａｎｄｔｈｅｒａｎｇｅｏｆｗａｌｌｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｗａｓ１５０~９００Ｋ.Ｆｉｒｓｔｌｙꎬｔｈｅｈｙｐｅｒｓｏｎｉｃｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅγ￣Ｒｅ~θｔｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｍｏｄｅｌａｎｄｔｈｅＳＳＴｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅｍｏｄｅｌｗｅｒｅｃａｒｒｉｅｄｏｕｔ.Ｔｈｅｐｒｅｓｓｕｒｅｇｒａｄｉｅｎｔｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｈｉｇｈ￣ｓｐｅｅｄｃｒｏｓｓ￣ｆｌｏｗｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎｗｅｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｉｎｔｏｔｈｅγ￣Ｒｅ~θｔｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｍｏｄｅｌꎬａｎｄｔｈｅｃｏｍ￣ｐｒｅｓｓｉｂｉｌｉｔｙｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅｃｌｏｓｕｒｅｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓβ∗ａｎｄβｏｆｔｈｅＳＳＴｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅｍｏｄｅｌｗｅｒｅｃａｒｒｉｅｄｏｕｔ.Ｔｈｅｎꎬｔｈｅｇｒｉｄｉｎ￣ｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎｗａｓｃａｒｒｉｅｄｏｕｔꎬａｎｄｔｈｅｍｏｄｉｆｉｅｄｎｕｍｅｒｉｃａｌｍｅｔｈｏｄａｎｄｓｏｆｔｗａｒｅｐｌａｔｆｏｒｍｗｅｒｅｃｏｎｆｉｒｍｅｄｂｙｃｏｍ￣ｐａｒｉｎｇｗｉｔｈｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓ.ＦｉｎａｌｌｙꎬｔｈｅｅｆｆｅｃｔｓｏｆＭａｃｈｎｕｍｂｅｒａｎｄｗａｌｌｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｎｔｈｅｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｌａｗｏｆｔｈｅＨｙＴＲＶｂｏｕｎｄａｒｙｌａｙｅｒｗｅｒｅｓｔｕｄｉｅｄ.Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｔｒａｎｓｉｔｉｏｎａｒｅａｉｓｍａｉｎｌｙｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｅｄｏｎｂｏｔｈｓｉｄｅｓｏｆｔｈｅｕｐｐｅｒｓｕｒｆａｃｅａｎｄｔｈｅｃｅｎｔｅｒｌｉｎｅｏｆｔｈｅｌｏｗｅｒｓｕｒｆａｃｅ.ＷｉｔｈｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｏｆｔｈｅｉｎｃｏｍｉｎｇＭａｃｈｎｕｍｂｅｒꎬｔｈｅｓｔａｒｔｉｎｇｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｏｎｔｈｅｕｐｐｅｒａｎｄｌｏｗｅｒｓｕｒｆａｃｅｓｉｓｇｒｅａｔｌｙｂａｃｋｗａｒｄꎬａｎｄｔｈｅｔｕｒｂｕｌｅｎｔｚｏｎｅｉｓｇｒｅａｔｌｙｒｅｄｕｃｅｄꎬｂｕｔｉｔｓｔｉｌｌｅｘ￣ｉｓｔｓ.Ａｔｔｈｅｓａｍｅｔｉｍｅꎬｔｈｅｆｒｉｃｔｉｏｎｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｏｆｔｈｅｌａｍｉｎａｒｆｌｏｗｚｏｎｅｏｎｔｈｅｕｐｐｅｒｓｕｒｆａｃｅｉｎｃｒｅａｓｅｓｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｌｙꎬａｎｄｔｈｅｆｒｉｃｔｉｏｎｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｏｆｔｈｅｔｕｒｂｕｌｅｎｔｚｏｎｅｏｎｔｈｅｌｏｗｅｒｓｕｒｆａｃｅｄｅｃｒｅａｓｅｓ.Ａｓｔｈｅｗａｌｌｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｉｎｃｒｅａｓｅｓꎬｔｈｅｓｔａｒｔｉｎｇｐｏｓｉ￣ｔｉｏｎｏｆｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｏｎｔｈｅｕｐｐｅｒａｎｄｌｏｗｅｒｓｕｒｆａｃｅｓｓｈｉｆｔｓｆｏｒｗａｒｄꎬｔｈｅｎｒａｐｉｄｌｙｓｈｉｆｔｓｂａｃｋｗａｒｄꎬａｎｄｆｉｎａｌｌｙｔｈｅｔｕｒｂｕｌｅｎｔｚｏｎｅａｌｍｏｓｔｄｉｓａｐｐｅａｒｓ.气体物理２０２４年㊀第９卷Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎꎻＨｙＴＲＶꎻｆｒｉｃｔｉｏｎꎻＭａｃｈｎｕｍｂｅｒꎻｗａｌｌｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ引㊀言高超声速飞行器具有突防能力强㊁打击范围广㊁响应迅速等显著优势ꎬ正逐渐成为各国空天竞争的热点[１]ꎮ高超声速飞行器边界层转捩是该类飞行器气动设计中的重要问题[２]ꎮ在边界层转捩过程中ꎬ流态由层流转变为湍流ꎬ飞行器的表面摩阻急剧增大到层流时的３~５倍ꎬ严重影响飞行器的气动性能与热防护系统ꎬ转捩还会导致飞行器壁面烧蚀㊁颤振加剧㊁飞行姿态控制难度大等一系列问题ꎬ对飞行器的飞行安全构成严重的威胁[３￣５]ꎬ开展高超声速飞行器边界层转捩研究具有十分重要的意义ꎮ影响边界层转捩的因素很多ꎬ例如ꎬＭａｃｈ数㊁Ｒｅｙｎｏｌｄｓ数㊁湍流强度㊁表面传导热等ꎮ在高超声速流动条件下ꎬ强激波㊁强逆压梯度㊁熵层等高超声速现象及其相互作用ꎬ会使得转捩流动的预测和研究难度进一步增大[６]ꎮ目前高超声速飞行器转捩数值模拟方法主要有直接数值模拟(ＤＮＳ)㊁大涡模拟(ＬＥＳ)和基于Ｒｅｙｎｏｌｄｓ平均Ｎａｖｉｅｒ￣Ｓｔｏｋｅｓ(ＲＡＮＳ)的转捩模型方法ꎬ由于前两种计算量巨大ꎬ难以推广到工程应用ꎬ基于Ｒｅｙｎｏｌｄｓ平均Ｎａｖｉｅｒ￣Ｓｔｏｋｅｓ的转捩模型在工程实践中应用最为广泛ꎬ其中γ￣Ｒｅ~θｔ转捩模型基于局部变量ꎬ与现代ＣＦＤ方法良好兼容ꎬ目前已经有多项研究尝试从一般性的流动问题拓展到高超声速流动转捩模拟[６￣９]ꎮ目前高超声速流动转捩的研究对象主要是结构相对简单的构型ꎮＭｃＤａｎｉｅｌ等[１０]研究了扩口直锥在高超声速流动条件下的转捩现象ꎮＰａｐｐ等[１１]研究了圆锥在高超声速流动条件下的转捩特性ꎮ美国和澳大利亚组织联合实施的ＨＩＦｉＲＥ计划[１２]ꎬ研究了圆锥形状的ＨＩＦｉＲＥ１和椭圆锥形的ＨＩＦｉＲＥ５的转捩问题ꎮ杨云军等[１３]采用数值模拟方法ꎬ分析了椭圆锥的转捩影响机制ꎬ并研究了Ｒｅｙｎｏｌｄｓ数对转捩特性的影响规律ꎮ另外ꎬ袁先旭等[１４]于２０１５年成功实施了圆锥体ＭＦ￣１航天模型飞行试验ꎮ以上对高超声速流动的转捩研究ꎬ都取得了比较理想的结果ꎬ然而所采用的模型都是圆锥㊁椭圆锥等简单几何外形ꎬ这与真实高超声速飞行器有较大差异ꎬ较难反映真实的转捩特性ꎮ为了有效促进对真实高超声速飞行器的转捩问题研究ꎬ中国空气动力研究与发展中心提出并设计了一款接近真实飞行器的升力体模型ꎬ即高超声速转捩研究飞行器(ｈｙｐｅｒｓｏｎｉｃｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｒｅｓｅａｒｃｈｖｅｈｉｃｌｅꎬＨｙＴＲＶ)[１５]ꎬ模型详细的参数见参考文献[１６]ꎮＨｙＴＲＶ外形如图１所示ꎬ其整体外形较为复杂ꎬ不同区域发生转捩的情况也不尽相同ꎮ对ＨｙＴＲＶ的转捩问题研究能够显著提高对真实高超声速飞行器转捩特性的认识水平ꎮＬｉｕ等[１７]采用理论分析㊁数值模拟和风洞实验３种方法对ＨｙＴＲＶ的转捩特性进行了研究ꎻ陈坚强等[１５]分析了ＨｙＴＲＶ的边界层失稳特征ꎻＣｈｅｎ等[１８]对ＨｙＴＲＶ进行了多维线性稳定性分析ꎻＱｉ等[１９]在来流Ｍａｃｈ数６㊁攻角０ʎ的条件下对ＨｙＴＲＶ进行了直接数值模拟ꎻ万兵兵等[２０]结合风洞实验与飞行试验ꎬ利用ｅＮ方法预测了ＨｙＴＲＶ升力体横流区的转捩阵面形状ꎮ目前ꎬ相关研究主要集中在ＨｙＴＲＶ的稳定性特征及转捩预测两个方面ꎬ而对若干关键参数ꎬ特别是Ｍａｃｈ数和壁面温度对转捩的影响研究还比较少ꎮ(ａ)Ｆｒｏｎｔｖｉｅｗ(ｂ)Ｓｉｄｅｖｉｅｗ㊀㊀㊀图１㊀ＨｙＴＲＶ外形Ｆｉｇ.１㊀ＳｈａｐｅｏｆＨｙＴＲＶ基于此ꎬ本文采用数值模拟方法ꎬ应用课题组自研软件开展Ｍａｃｈ数和壁面温度对ＨｙＴＲＶ转捩流动的影响规律研究ꎮ１㊀数值方法１.１㊀控制方程和数值方法控制方程为三维可压缩ＲＡＮＳ方程ꎬ采用结构网格技术和有限体积方法ꎬ变量插值方法采用２阶ＭＵＳＣＬ格式ꎬ通量计算采用低耗散的通量向量差分Ｒｏｅ格式ꎬ黏性项离散采用中心格式ꎬ时间推进方法采用ＬＵ￣ＳＧＳ格式ꎮ壁面采用等温㊁无滑移壁面条件ꎬ入口采用Ｒｉｅｍａｎｎ远场边界条件ꎬ出口采用零梯度外推边界条件ꎮ１.２㊀γ￣Ｒｅ~θｔ转捩模型γ￣Ｒｅ~θｔ转捩模型是Ｍｅｎｔｅｒ等[２１ꎬ２２]于２００４年提０１第２期章录兴ꎬ等:Ｍａｃｈ数和壁面温度对ＨｙＴＲＶ边界层转捩的影响出的一种基于拟合公式的间歇因子转捩模型ꎬ在２００９年公布了完整的拟合公式及相关参数[２３]ꎮ许多学者也开发了相应的程序ꎬ并进行了大量的算例验证[２４￣２８]ꎬ证明了该模型具有较好的转捩预测能力ꎬ预测精度较高ꎻ通过合适的标定ꎬγ￣Ｒｅ~θｔ转捩模型可以适用于多种情况下的转捩模拟ꎮ该模型构建了关于间歇因子γ的输运方程和关于转捩动量厚度Ｒｅｙｎｏｌｄｓ数Ｒｅ~θｔ的输运方程ꎮ具体来说ꎬγ表示该位置是湍流流动的概率ꎬ取值范围为０<γ<１ꎮ关于γ的控制方程为Ə(ργ)Əｔ＋Ə(ρｕｊγ)Əｘｊ＝Ｐγ－Ｅγ＋ƏƏｘｊμ＋μｔσｆæèçöø÷ƏγƏｘｊéëêêùûúú其中ꎬＰγ为生成项ꎬＥγ为破坏项ꎮ关于Ｒｅ~θｔ的输运方程为Ə(ρＲｅ~θｔ)Əｔ＋Ə(ρｕｊＲｅ~θｔ)Əｘｊ＝Ｐθｔ＋ƏƏｘｊσθｔ(μ＋μｔ)ƏＲｅ~θｔƏｘｊéëêêùûúú其中ꎬＰθｔ为源项ꎬ其作用是使边界层外部的Ｒｅ~θｔ等于Ｒｅθｔꎬ定义式为Ｐθｔ＝ｃθｔρｔ(Ｒｅθｔ－Ｒｅ~θｔ)(１.０－Ｆθｔ)Ｒｅθｔ采用以下经验公式Ｒｅθｔ＝１１７３.５１－５８９ ４２８Ｔｕ＋０.２１９６Ｔｕ２æèçöø÷Ｆ(λθ)ꎬＴｕɤ０.３Ｒｅθｔ＝３３１.５０(Ｔｕ－０.５６５８)－０.６７１Ｆ(λθ)ꎬＴｕ>０.３ìîíïïïïＦ(λθ)＝１＋(１２.９８６λθ＋１２３.６６λ２θ＋４０５.６８９λ３θ)ｅ－(Ｔｕ１.５)１.５ꎬ㊀λθɤ０Ｆ(λθ)＝１＋０.２７５(１－ｅ－３５.０λθ)ｅ－(Ｔｕ０.５)ꎬλθ>０ìîíïïïï在实际计算中ꎬ通过γ￣Ｒｅ~θｔ转捩模型获得间歇因子ꎬ再通过间歇因子来控制ＳＳＴｋ￣ω湍流模型中湍动能的生成ꎮγ￣Ｒｅ~θｔ转捩模型与ＳＳＴｋ￣ω湍流模型耦合为Ə(ρｋ)Əｔ＋Ə(ρｕｊｋ)Əｘｊ＝γｅｆｆτｉｊƏｕｉƏｘｊ－ｍｉｎ(ｍａｘ(γｅｆｆꎬ０.１)ꎬ１.０)ρβ∗ｋω＋ƏƏｘｊμ＋μｔσｋæèçöø÷ƏｋƏｘｊéëêêùûúúƏ(ρω)Əｔ＋Ə(ρｕｊω)Əｘｊ＝γｖｔτｉｊƏｕｉƏｘｊ－βρω２＋ƏƏｘｊ(μ＋σωμｔ)ƏωƏｘｊéëêêùûúú＋２ρ(１－Ｆ１)σω２１ωƏｋƏｘｊƏωƏｘｊ模型中具体参数定义见文献[２３]ꎮ１.３㊀高超声速修正原始ＳＳＴ湍流模型及γ￣Ｒｅ~θｔ转捩模型都是基于不可压缩流动发展的ꎬ为了更好地预测高超声速流动转捩ꎬ本节引入了３种重要的高超声速修正方法ꎮ１.３.１㊀压力梯度修正压力梯度对边界层转捩的影响较大ꎬ在高Ｍａｃｈ数情况下ꎬ边界层厚度较大ꎬ进而影响压力梯度的大小ꎬ因此在模拟高超声速流动时应该考虑Ｍａｃｈ数对压力梯度的影响ꎮ本文采用张毅峰等[２９]提出的压力梯度修正方法ꎬ具体修正形式如下λᶄθ＝λθ１＋γᶄ－１２Ｍａｅæèçöø÷其中ꎬＭａｅ为边界层外缘Ｍａｃｈ数ꎬγᶄ为比热比ꎮ１.３.２㊀高速横流修正在原始γ￣Ｒｅ~θｔ转捩模型中ꎬ没有考虑横流不稳定性对转捩的影响ꎬ对于横流模态主导的转捩ꎬ原始转捩模型计算的结果并不理想ꎮＬａｎｇｔｒｙ等[３０]在２０１５年对γ￣Ｒｅ~θｔ转捩模型进行了低速横流修正ꎬ向星皓等[９]在Ｌａｎｇｔｒｙ低速横流修正的基础上ꎬ对高超声速椭圆锥转捩ＤＮＳ数据进行了拓展ꎬ提出了高速横流转捩判据ꎬ本文直接采用向星皓提出的高速横流转捩方法ꎮＬａｎｇｔｒｙ将横流强度引入转捩发生动量厚度Ｒｅｙｎｏｌｄｓ数输运方程中Ə(ρＲｅ~θｔ)Əｔ＋Ə(ρｕｊＲｅ~θｔ)Əｘｊ＝Ｐθｔ＋ＤＳＣＦ＋ƏƏｘｊσθｔ(μ＋μｔ)ƏＲｅ~θｔƏｘｊéëêêùûúú式中ꎬＤＳＣＦ为横流源项ꎬＬａｎｇｔｒｙ低速横流修正为ＤＳＣＦ＝ｃθｔρｔｃｃｒｏｓｓｆｌｏｗｍｉｎ(ＲｅＳＣＦ－Ｒｅ~θｔꎬ０.０)Ｆθｔ２其中ꎬＲｅＳＣＦ为低速横流判据ＲｅＳＣＦ＝θｔρＵｌｏｃａｌ０.８２æèçöø÷μ＝－３５.０８８ｌｎｈθｔæèçöø÷＋３１９.５１＋ｆ(＋ΔＨｃｒｏｓｓｆｌｏｗ)－ｆ(－ΔＨｃｒｏｓｓｆｌｏｗ)其中ꎬｈ为壁面粗糙度高度ꎬθｔ为动量厚度ꎬ１１气体物理２０２４年㊀第９卷ΔＨｃｒｏｓｓｆｌｏｗ是横流强度抬升项ꎮ向星皓提出的高速横流转捩判据ꎬ其中高速横流源项ＤＳＣＦ￣Ｈ为ＤＳＣＦ￣Ｈ＝ｃＣＦρｍｉｎ(ＲｅＳＣＦ￣Ｈ－Ｒｅ~θｔꎬ０)ＦθｔＲｅＳＣＦ￣Ｈ＝ＣＣＦ￣１ｌｎｈｌμ＋ＣＣＦ￣２＋(Ｈｃｒｏｓｓｆｌｏｗ)其中ꎬＣＣＦ￣１＝－９.６１８ꎬＣＣＦ￣２＝１２８.３３ꎻｌμ为粗糙度参考高度ꎬｌμ＝１μｍꎻｆ(Ｈｃｒｏｓｓｆｌｏｗ)为抬升函数ｆ(Ｈｃｒｏｓｓｆｌｏｗ)＝６００００.１０６６－ΔＨｃｒｏｓｓｆｌｏｗ＋５００００(０.１０６６－ΔＨｃｒｏｓｓｆｌｏｗ)２其中ꎬΔＨｃｒｏｓｓｆｌｏｗ与Ｌａｎｇｔｒｙ低速横流修正中保持一致ꎮ１.３.３㊀ＳＳＴ可压缩修正高超声速流动具有强可压缩性ꎬ所以在进行高超声速计算时ꎬ应该对湍流模型进行可压缩修正ꎮＳａｒｋａｒ[３１]提出了膨胀耗散修正ꎬ对ＳＳＴ湍流模型中的闭合系数β∗ꎬβ进行了可压缩修正ꎬＷｉｌｃｏｘ[３２]在Ｓａｒｋａｒ修正的基础上考虑了可压缩生成项产生时的延迟效应ꎬ使得可压缩修正在湍流Ｍａｃｈ数较小的近壁面关闭ꎬ在湍流Ｍａｃｈ数较大的自由剪切层打开ꎬ本文采用Ｗｉｌｃｏｘ提出的可压缩性修正β∗＝β∗０[１＋ξ∗Ｆ(Ｍａｔ)]β＝β０－β∗０ξ∗Ｆ(Ｍａｔ)其中ꎬβ０ꎬβ∗均为原始模型中的系数ꎬξ∗＝１.５ꎮＦ(Ｍａｔ)＝[Ｍａｔ－Ｍａｔ０]Ｈ(Ｍａｔ－Ｍａｔ０)Ｍａｔ０＝１/４ꎬＨ(ｘ)＝０ꎬｘɤ０１ꎬｘ>０{其中ꎬＭａｔ＝２ｋ/ａ为湍流Ｍａｃｈ数ꎬａ为当地声速ꎮ２㊀网格无关性验证及数值方法确认２.１㊀网格无关性验证计算采用３套网格ꎬ考虑到ＨｙＴＲＶ的几何对称性ꎬ生成３套半模网格ꎬ第１层网格高度为１ˑ１０－６ｍꎬ确保ｙ＋<１ꎬ流向ˑ法向ˑ周向的网格数分别为:网格１是３０１ˑ２０１ˑ２０１ꎬ网格２是３０１ˑ３０１ˑ２０１ꎬ网格３是４０１ˑ３８１ˑ２８１ꎮ全模下表面如图２所示ꎬ选取ｙ/Ｌ＝０中心线和ｘ/Ｌ＝０.５处ꎬ对比３套网格的表面摩阻系数ꎬ计算结果如图３所示ꎮ采用网格１时ꎬ表面摩阻系数分布与另外两个结果存在明显差异ꎻ而采用网格２和网格３时ꎬ表面摩阻系数曲线基本重合ꎬ表明在流向㊁法向和周向均满足网格无关性ꎬ后续数值计算采用网格２ꎮ图２㊀截取位置示意图Ｆｉｇ.２㊀Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｔｈｅｉｎｔｅｒｃｅｐｔｉｏｎｌｏｃａｔｉｏｎ(ａ)Ｓｕｒｆａｃｅｆｒｉｃｔｉｏｎａｔｙ/Ｌ＝０(ｂ)Ｓｕｒｆａｃｅｆｒｉｃｔｉｏｎａｔｘ/Ｌ＝０.５图３㊀采用３套网格计算得到的摩阻对比Ｆｉｇ.３㊀Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｔｈｅｆｒｉｃｔｉｏｎｄｒａｇｃａｌｃｕｌａｔｅｄｕｓｉｎｇｔｈｒｅｅｓｅｔｓｏｆｇｒｉｄｓ２.２㊀数值方法和自研软件的确认采用修正后的转捩模型对ＨｙＴＲＶ开展计算ꎬ计算工况为Ｍａ＝６ꎬ来流温度Ｔɕ＝９７Ｋꎬ单位２１第２期章录兴ꎬ等:Ｍａｃｈ数和壁面温度对ＨｙＴＲＶ边界层转捩的影响Ｒｅｙｎｏｌｄｓ数为Ｒｅ＝１.１ˑ１０７/ｍꎬ攻角α＝０ʎꎬ来流湍流度ＦＳＴＩ＝０.８％ꎬ壁面温度Ｔ＝３００Ｋꎮ为方便对比分析ꎬ计算结果与参考结果均采用上下对称形式布置ꎬ例如ꎬ图４是模型下表面计算结果与实验结果对比:对于下表面两侧转捩的起始位置ꎬ高超声速修正前的转捩位置在ｘ＝０.６８ｍ附近ꎬ高超声速修正后的计算结果与实验结果吻合良好ꎬ均在ｘ＝０.６０ｍ附近ꎬ并且湍流边界层区域形状基本一致ꎬ说明修正后的转捩模型能够较好地预测ＨｙＴＲＶ转捩的位置ꎮ(ａ)Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｆｒｉｃｔｉｏｎｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ(ｂｅｆｏｒｅｈｙｐｅｒｓｏｎｉｃｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ)(ｂ)Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｆｒｉｃｔｉｏｎｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ(ａｆｔｅｒｈｙｐｅｒｓｏｎｉｃｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ)(ｃ)Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓｏｆｔｈｅｈｅａｔｆｌｕｘｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ[１７]图４㊀下表面计算结果和实验结果对比Ｆｉｇ.４㊀Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｅｄａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓｏｎｔｈｅｌｏｗｅｒｓｕｒｆａｃｅ３㊀ＨｙＴＲＶ转捩的基本流动特性计算工况采用Ｍａ＝６ꎬ攻角α＝０ʎꎬ来流湍流度ＦＳＴＩ＝０.６％ꎬ分析ＨｙＴＲＶ转捩的基本流动特性ꎮ从图５可以看出ꎬ模型两侧和顶端均出现高压区ꎬ高压区之间为低压区ꎬ横截面上存在周向压力梯度ꎬ流动从高压区向低压区汇集ꎬ从而在下表面中心线附近和上表面两侧腰部区域均形成流向涡结构(见图６)ꎬ沿流动方向ꎬ高压区域逐渐扩大ꎬ流向涡结构的影响范围也越大ꎮ在流向涡结构的边缘位置ꎬ壁面附近的低速流体被抬升到外壁面区域ꎬ外壁面区域的高速流体又被带入到近壁面区域ꎬ进而导致流向涡结构边缘处壁面的摩阻显著增加ꎬ最终诱发转捩ꎬ这些流动特征与文献[１５]的结果一致ꎮ图７显示了上下表面摩阻的分布情况ꎬ其中上表面两侧区域在ｘ/Ｌ＝０.８０附近ꎬ摩阻显著增加ꎬ出现明显的转捩现象ꎬ转捩区域分布在两侧边缘位置ꎻ而下表面两侧区域在ｘ/Ｌ＝０.７５附近ꎬ也出现明显的转捩ꎬ转捩区域相对集中在中心线两侧ꎮ图５㊀不同截面位置处的压力云图Ｆｉｇ.５㊀Ｐｒｅｓｓｕｒｅｃｏｎｔｏｕｒｓａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃｒｏｓｓ￣ｓｅｃｔｉｏｎｌｏｃａｔｉｏｎｓ图６㊀不同截面位置处的流向速度云图Ｆｉｇ.６㊀Ｓｔｒｅａｍｗｉｓｅｖｅｌｏｃｉｔｙｃｏｎｔｏｕｒｓａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃｒｏｓｓ￣ｓｅｃｔｉｏｎｌｏｃａｔｉｏｎｓ３１气体物理２０２４年㊀第９卷(ａ)Ｕｐｐｅｒｓｕｒｆａｃｅ㊀㊀㊀㊀㊀(ｂ)Ｌｏｗｅｒｓｕｒｆａｃｅ图７㊀上下表面摩阻分布云图Ｆｉｇ.７㊀Ｆｒｉｃｔｉｏｎｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｃｏｎｔｏｕｒｓｏｎｔｈｅｕｐｐｅｒａｎｄｌｏｗｅｒｓｕｒｆａｃｅｓ４㊀不同Ｍａｃｈ数对ＨｙＴＲＶ转捩的影响保持来流湍流度ＦＳＴＩ＝０.６％不变ꎬＭａｃｈ数变化范围为３~８ꎮ图８是不同Ｍａｃｈ数条件下ＨｙＴＲＶ上下表面的摩阻分布云图ꎬ从图中可知ꎬ随着Ｍａｃｈ数的增加ꎬ上下表面的湍流区域均逐渐减少ꎬ其中上表面两侧转捩起始位置由ｘ/Ｌ＝０.５６附近后移至ｘ/Ｌ＝０.９２附近ꎬ下表面两侧转捩起始位置由ｘ/Ｌ＝０.４８附近后移至ｘ/Ｌ＝０.９９附近ꎬ上下表面两侧转捩起始位置均大幅后移ꎬ说明Ｍａｃｈ数对ＨｙＴＲＶ转捩的影响很大ꎮｕｐｐｅｒｓｕｒｆａｃｅ㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀ｌｏｗｅｒｓｕｒｆａｃｅ(ａ)Ｍａ＝３ｕｐｐｅｒｓｕｒｆａｃｅ㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀ｌｏｗｅｒｓｕｒｆａｃｅ(ｂ)Ｍａ＝４ｕｐｐｅｒｓｕｒｆａｃｅ㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀ｌｏｗｅｒｓｕｒｆａｃｅ(ｃ)Ｍａ＝５４１第２期章录兴ꎬ等:Ｍａｃｈ数和壁面温度对ＨｙＴＲＶ边界层转捩的影响ｕｐｐｅｒｓｕｒｆａｃｅ㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀ｌｏｗｅｒｓｕｒｆａｃｅ(ｄ)Ｍａ＝６ｕｐｐｅｒｓｕｒｆａｃｅ㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀ｌｏｗｅｒｓｕｒｆａｃｅ(ｅ)Ｍａ＝７ｕｐｐｅｒｓｕｒｆａｃｅ㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀ｌｏｗｅｒｓｕｒｆａｃｅ(ｆ)Ｍａ＝８图８㊀不同Ｍａｃｈ数条件下摩阻系数分布云图Ｆｉｇ.８㊀ＦｒｉｃｔｉｏｎｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｃｏｎｔｏｕｒｓａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔＭａｃｈｎｕｍｂｅｒｓ上表面选取图７中ｚ/Ｌ＝０.１２的位置ꎬ下表面选取ｚ/Ｌ＝０.１０的位置进行分析ꎮ从图９中可以分析出ꎬ随着Ｍａｃｈ数的增加ꎬ上表面转捩起始位置不断后移ꎬ当Ｍａｃｈ数增加到７时ꎬ由于湍流区的缩小ꎬ此处位置不再发生转捩ꎬ此外ꎬＭａｃｈ数越高层流区摩阻系数越大ꎻ下表面转捩起始位置也不断后移ꎬ当Ｍａｃｈ数增加到８时ꎬ此处位置不再发生转捩ꎬ此外ꎬＭａｃｈ数越高ꎬ湍流区的摩阻系数越小ꎬ这些结论与关于来流Ｍａｃｈ数对转捩位置影响的普遍研究结论一致ꎮ(ａ)Ｕｐｐｅｒｓｕｒｆａｃｅ㊀㊀㊀㊀㊀(ｂ)Ｌｏｗｅｒｓｕｒｆａｃｅ图９㊀不同位置摩阻系数随Ｍａｃｈ数的变化Ｆｉｇ.９㊀ＶａｒｉａｔｉｏｎｏｆｆｒｉｃｔｉｏｎｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｗｉｔｈＭａｃｈｎｕｍｂｅｒａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｌｏｃａｔｉｏｎｓ５１气体物理２０２４年㊀第９卷５㊀不同壁面温度对ＨｙＴＲＶ转捩的影响保持来流湍流度ＦＳＴＩ＝０.６％及Ｍａ＝６不变ꎬ壁面温度的变化范围为１５０~９００Ｋꎮ图１０是不同壁面温度条件下ＨｙＴＲＶ上下表面的摩阻分布云图ꎬ可以看出随着壁面温度的增加ꎬ上表面两侧湍流区域先是缓慢扩大ꎬ在壁面温度为５００Ｋ时湍流区域快速缩小ꎬ增加到９００Ｋ时ꎬ已无明显湍流区域ꎻ下表面两侧湍流区域先是无明显变化ꎬ同样当壁面温度升高到５００Ｋ时ꎬ湍流区域快速缩小ꎬ当壁面温度升高到７００Ｋ时ꎬ两侧已经无明显的湍流区域ꎬ相比上表面两侧湍流区域ꎬ下表面湍流区域消失得更早ꎮ由此可以得出壁面温度对转捩的产生有较大的影响ꎬ壁面温度增加到一定程度将导致ＨｙＴＲＶ没有明显的转捩现象ꎮｕｐｐｅｒｓｕｒｆａｃｅ㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀ｌｏｗｅｒｓｕｒｆａｃｅ(ａ)Ｔ＝１５０Ｋｕｐｐｅｒｓｕｒｆａｃｅ㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀ｌｏｗｅｒｓｕｒｆａｃｅ(ｂ)Ｔ＝２００Ｋｕｐｐｅｒｓｕｒｆａｃｅ㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀ｌｏｗｅｒｓｕｒｆａｃｅ(ｃ)Ｔ＝３００Ｋｕｐｐｅｒｓｕｒｆａｃｅ㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀ｌｏｗｅｒｓｕｒｆａｃｅ(ｄ)Ｔ＝５００Ｋ６１第２期章录兴ꎬ等:Ｍａｃｈ数和壁面温度对ＨｙＴＲＶ边界层转捩的影响ｕｐｐｅｒｓｕｒｆａｃｅ㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀ｌｏｗｅｒｓｕｒｆａｃｅ(ｅ)Ｔ＝７００Ｋｕｐｐｅｒｓｕｒｆａｃｅ㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀ｌｏｗｅｒｓｕｒｆａｃｅ(ｆ)Ｔ＝９００Ｋ图１０㊀不同壁面温度条件下摩阻系数分布云图Ｆｉｇ.１０㊀Ｆｒｉｃｔｉｏｎｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｃｏｎｔｏｕｒｓａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｗａｌｌｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ上表面选取ｚ/Ｌ＝０.１２５的位置ꎬ下表面选取ｚ/Ｌ＝０.１００的位置进行分析ꎮ从图１１中可以分析出ꎬ随着壁面温度的增加ꎬ上表面转捩起始位置先前移ꎬ当壁面温度增加到５００Ｋ时ꎬ转捩起始位置后移ꎬ转捩区长度逐渐增加ꎬ层流区域的摩阻系数逐渐增加ꎬ当壁面温度增加到７００Ｋ时ꎬ该位置已不再出现转捩ꎻ下表面转捩起始位置先小幅后移ꎬ当壁面温度增加到３００Ｋ时ꎬ转捩起始位置开始后移ꎬ当壁面温度增加到７００Ｋ时ꎬ由于湍流区域的减小ꎬ该位置不再发生转捩ꎮ(ａ)Ｕｐｐｅｒｓｕｒｆａｃｅ㊀㊀㊀㊀㊀(ｂ)Ｌｏｗｅｒｓｕｒｆａｃｅ图１１㊀不同位置摩阻系数随壁面温度的变化Ｆｉｇ.１１㊀Ｖａｒｉａｔｉｏｎｏｆｆｒｉｃｔｉｏｎｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｗｉｔｈｗａｌｌｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｌｏｃａｔｉｏｎｓ为进一步分析壁面温度的影响ꎬ本文分别在上下表面湍流区选取一点(０.９ꎬ０.０２９ꎬ０.１４)ꎬ(０.９７ꎬ－０.３４ꎬ０.１２)ꎬ分析边界层湍动能剖面ꎬ结果如图１２所示ꎮ从图中可以看到ꎬ随着壁面温度升高ꎬ边界层厚度先略微变厚ꎬ再变薄ꎬ当壁面温度升高到７００Ｋ时ꎬ边界层厚度迅速降低ꎮ这些结果与转捩位置先前移再后移的结论相符合ꎬ因为边界层厚度会影响不稳定波的时间和空间尺度ꎬ边界层厚度低时ꎬ不稳定波增长速度变慢ꎬ延迟转捩发生ꎮ需要指出的是ꎬ仅采用当前使用的方法ꎬ无法从更深层７１气体物理２０２４年㊀第９卷次揭示转捩反转的流动机理ꎬ而须另外借助稳定性分析方法ꎬ例如ꎬ使用ｅＮ方法开展基于模态的稳定性研究ꎮ文献[３３]采用该手段研究了大掠角平板钝三角翼随壁温比变化出现转捩反转的内在机理:壁温比升高促进横流模态和第１模态扰动增长ꎬ抑制第２模态发展ꎬ在第１㊁２模态联合作用影响下ꎬ出现转捩反转现象ꎮ我们将在后续开展进一步研究ꎮ(ａ)Ｕｐｐｅｒｓｕｒｆａｃｅ(ｂ)Ｌｏｗｅｒｓｕｒｆａｃｅ图１２㊀不同位置湍动能剖面随壁面温度的变化Ｆｉｇ.１２㊀Ｖａｒｉａｔｉｏｎｏｆｔｕｒｂｕｌｅｎｔｋｉｎｅｔｉｃｅｎｅｒｇｙｗｉｔｈｗａｌｌｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｌｏｃａｔｉｏｎｓ６㊀结论针对ＨｙＴＲＶ转捩问题ꎬ在Ｍａｃｈ数Ｍａ＝３~８ꎬ壁面温度Ｔ＝１５０~９００Ｋ的条件下ꎬ基于课题组自研软件ꎬ对γ￣Ｒｅ~θｔ转捩模型和ＳＳＴ湍流模型进行了高超声速修正ꎬ研究了Ｍａｃｈ数和壁面温度对ＨｙＴＲＶ转捩的影响ꎬ得出以下结论:１)经过高超声速修正后的γ￣Ｒｅ~θｔ转捩模型和ＳＳＴ湍流模型能够较为准确地预测ＨｙＴＲＶ转捩位置ꎬ并且湍流边界层区域形状与实验结果基本一致ꎻＨｙＴＲＶ存在多个不同的转捩区域ꎬ上表面两侧转捩区域分布在两侧边缘位置ꎬ下表面两侧转捩区域分布在中心线两侧ꎮ２)Ｍａｃｈ数的增加会导致上下表面转捩起始位置均大幅后移ꎬ湍流区大幅缩小ꎬ但当Ｍａｃｈ数增加到８时ꎬ湍流区仍然存在ꎬ并没有消失ꎻ上表面层流区摩阻不断增加ꎬ下表面湍流区摩阻不断减小ꎮ３)壁面温度的增加会导致上下表面转捩起始位置先前移ꎬ再后移ꎬ这与边界层厚度变化规律一致ꎬ当壁面温度增加到７００Ｋ时ꎬ下表面湍流区已经基本消失ꎬ当壁面温度增加到９００Ｋ时ꎬ上表面湍流区也基本消失ꎻ上表面在层流区域的摩阻系数逐渐增大ꎬ在湍流区的摩阻系数逐渐减小ꎮ致谢㊀感谢中国空气动力研究与发展中心和空天飞行空气动力科学与技术全国重点实验室提供的ＨｙＴＲＶ模型数据和实验数据ꎮ参考文献(Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ)[１]㊀ＯｂｅｒｉｎｇＩＩＩＨꎬＨｅｉｎｒｉｃｈｓＲＬ.Ｍｉｓｓｉｌｅｄｅｆｅｎｓｅｆｏｒｇｒｅａｔｐｏｗｅｒｃｏｎｆｌｉｃｔ:ｏｕｔｍａｎｅｕｖｅｒｉｎｇｔｈｅＣｈｉｎａｔｈｒｅａｔ[Ｊ].Ｓｔｒａ￣ｔｅｇｉｃＳｔｕｄｉｅｓＱｕａｒｔｅｒｌｙꎬ２０１９ꎬ３(４):３７￣５６. [２]ＣｈｅｎｇＣꎬＷｕＪＨꎬＺｈａｎｇＹＬꎬｅｔａｌ.Ａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃｓａｎｄｄｙｎａｍｉｃｓｔａｂｉｌｉｔｙｏｆｍｉｃｒｏ￣ａｉｒ￣ｖｅｈｉｃｌｅｗｉｔｈｆｏｕｒｆｌａｐｐｉｎｇｗｉｎｇｓｉｎｈｏｖｅｒｉｎｇｆｌｉｇｈｔ[Ｊ].ＡｄｖａｎｃｅｓｉｎＡｅｒｏｄｙｎａｍｉｃｓꎬ２０２０ꎬ２(３):５.[３]ＢｅｒｔｉｎＪＪꎬＣｕｍｍｉｎｇｓＲＭ.Ｆｉｆｔｙｙｅａｒｓｏｆｈｙｐｅｒｓｏｎｉｃｓ:ｗｈｅｒｅｗｅᶄｖｅｂｅｅｎꎬｗｈｅｒｅｗｅᶄｒｅｇｏｉｎｇ[Ｊ].ＰｒｏｇｒｅｓｓｉｎＡｅｒｏｓｐａｃｅＳｃｉｅｎｃｅｓꎬ２００３ꎬ３９(６/７):５１１￣５３６. [４]陈坚强ꎬ涂国华ꎬ张毅锋ꎬ等.高超声速边界层转捩研究现状与发展趋势[Ｊ].空气动力学学报ꎬ２０１７ꎬ３５(３):３１１￣３３７.ＣｈｅｎＪＱꎬＴｕＧＨꎬＺｈａｎｇＹＦꎬｅｔａｌ.Ｈｙｐｅｒｓｎｏｎｉｃｂｏｕｎｄａｒｙｌａｙｅｒｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ:ｗｈａｔｗｅｋｎｏｗꎬｗｈｅｒｅｓｈａｌｌｗｅｇｏ[Ｊ].ＡｃｔａＡｅｒｏｄｙｎａｍｉｃａＳｉｎｉｃａꎬ２０１７ꎬ３５(３):３１１￣３３７(ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ).[５]段毅ꎬ姚世勇ꎬ李思怡ꎬ等.高超声速边界层转捩的若干问题及工程应用研究进展综述[Ｊ].空气动力学学报ꎬ２０２０ꎬ３８(２):３９１￣４０３.ＤｕａｎＹꎬＹａｏＳＹꎬＬｉＳＹꎬｅｔａｌ.Ｒｅｖｉｅｗｏｆｐｒｏｇｒｅｓｓｉｎｓｏｍｅｉｓｓｕｅｓａｎｄｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｈｙｐｅｒｓｏｎｉｃｂｏｕｎｄａｒｙｌａｙｅｒｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ[Ｊ].ＡｃｔａＡｅｒｏｄｙｎａｍｉｃａＳｉｎｉｃａꎬ２０２０ꎬ３８(２):３９１￣４０３(ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ).[６]ＺｈａｎｇＹＦꎬＺｈａｎｇＹＲꎬＣｈｅｎＪＱꎬｅｔａｌ.Ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉ￣８１第２期章录兴ꎬ等:Ｍａｃｈ数和壁面温度对ＨｙＴＲＶ边界层转捩的影响ｍｕｌａｔｉｏｎｓｏｆｈｙｐｅｒｓｏｎｉｃｂｏｕｎｄａｒｙｌａｙｅｒｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｆｌｏｗｓｏｌｖｅｒｃｈａｎｔ２.０[Ｒ].ＡＩＡＡ２０１７￣２４０９ꎬ２０１７. [７]ＫｒａｕｓｅＭꎬＢｅｈｒＭꎬＢａｌｌｍａｎｎＪ.Ｍｏｄｅｌｉｎｇｏｆｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｅｆｆｅｃｔｓｉｎｈｙｐｅｒｓｏｎｉｃｉｎｔａｋｅｆｌｏｗｓｕｓｉｎｇａｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ￣ｂａｓｅｄｉｎｔｅｒｍｉｔｔｅｎｃｙｍｏｄｅｌ[Ｒ].ＡＩＡＡ２００８￣２５９８ꎬ２００８. [８]ＹｉＭＲꎬＺｈａｏＨＹꎬＬｅＪＬ.Ｈｙｐｅｒｓｏｎｉｃｎａｔｕｒａｌａｎｄｆｏｒｃｅｄｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｂｙｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ￣ｂａｓｅｄｉｎｔｅｒｍｉｔ￣ｔｅｎｃｙ[Ｒ].ＡＩＡＡ２０１７￣２３３７ꎬ２０１７.[９]向星皓ꎬ张毅锋ꎬ袁先旭ꎬ等.Ｃ￣γ￣Ｒｅθ高超声速三维边界层转捩预测模型[Ｊ].航空学报ꎬ２０２１ꎬ４２(９):６２５７１１.ＸｉａｎｇＸＨꎬＺｈａｎｇＹＦꎬＹｕａｎＸＸꎬｅｔａｌ.Ｃ￣γ￣Ｒｅθｍｏｄｅｌｆｏｒｈｙｐｅｒｓｏｎｉｃｔｈｒｅｅ￣ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｂｏｕｎｄａｒｙｌａｙｅｒｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ[Ｊ].ＡｃｔａＡｅｒｏｎａｕｔｉｃａｅｔＡｓｔｒｏｎａｕｔｉｃａＳｉｎｉｃａꎬ２０２１ꎬ４２(９):６２５７１１(ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ).[１０]ＭｃＤａｎｉｅｌＲＤꎬＮａｎｃｅＲＰꎬＨａｓｓａｎＨＡ.Ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｏｎｓｅｔｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎｆｏｒｈｉｇｈ￣ｓｐｅｅｄｆｌｏｗ[Ｊ].ＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｐａｃｅｃｒａｆｔａｎｄＲｏｃｋｅｔｓꎬ２０００ꎬ３７(３):３０４￣３０９.[１１]ＰａｐｐＪＬꎬＤａｓｈＳＭ.Ｒａｐｉｄｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｐｐｒｏａｃｈｔｏｍｏｄｅｌｉｎｇｈｙｐｅｒｓｏｎｉｃｌａｍｉｎａｒ￣ｔｏ￣ｔｕｒｂｕｌｅｎｔｔｒａｎｓｉｔｉｏｎａｌｆｌｏｗｓ[Ｊ].ＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｐａｃｅｃｒａｆｔａｎｄＲｏｃｋｅｔｓꎬ２００５ꎬ４２(３):４６７￣４７５.[１２]ＪｕｌｉａｎｏＴＪꎬＳｃｈｎｅｉｄｅｒＳＰ.ＩｎｓｔａｂｉｌｉｔｙａｎｄｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｏｎｔｈｅＨＩＦｉＲＥ￣５ｉｎａＭａｃｈ￣６ｑｕｉｅｔｔｕｎｎｅｌ[Ｒ].ＡＩＡＡ２０１０￣５００４ꎬ２０１０.[１３]杨云军ꎬ马汉东ꎬ周伟江.高超声速流动转捩的数值研究[Ｊ].宇航学报ꎬ２００６ꎬ２７(１):８５￣８８.ＹａｎｇＹＪꎬＭａＨＤꎬＺｈｏｕＷＪ.Ｎｕｍｅｒｉｃａｌｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｓｕｐｅｒｓｏｎｉｃｆｌｏｗｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ[Ｊ].ＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓꎬ２００６ꎬ２７(１):８５￣８８(ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ).[１４]袁先旭ꎬ何琨ꎬ陈坚强ꎬ等.ＭＦ￣１模型飞行试验转捩结果初步分析[Ｊ].空气动力学学报ꎬ２０１８ꎬ３６(２):２８６￣２９３.ＹｕａｎＸＸꎬＨｅＫꎬＣｈｅｎＪＱꎬｅｔａｌ.ＰｒｅｌｉｍｉｎａｒｙｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｒｅｓｅａｒｃｈａｎａｌｙｓｉｓｏｆＭＦ￣１[Ｊ].ＡｃｔａＡｅｒｏｄｙｎａｍｉｃａＳｉｎｉｃａꎬ２０１８ꎬ３６(２):２８６￣２９３(ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ).[１５]陈坚强ꎬ涂国华ꎬ万兵兵ꎬ等.ＨｙＴＲＶ流场特征与边界层稳定性特征分析[Ｊ].航空学报ꎬ２０２１ꎬ４２(６):１２４３１７.ＣｈｅｎＪＱꎬＴｕＧＨꎬＷａｎＢＢꎬｅｔａｌ.Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｆｌｏｗｆｉｅｌｄａｎｄｂｏｕｎｄａｒｙ￣ｌａｙｅｒｓｔａｂｉｌｉｔｙｏｆＨｙＴＲＶ[Ｊ].ＡｃｔａＡｅｒｏｎａｕｔｉｃａｅｔＡｓｔｒｏｎａｕｔｉｃａＳｉｎｉｃａꎬ２０２１ꎬ４２(６):１２４３１７(ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ).[１６]陈坚强ꎬ刘深深ꎬ刘智勇ꎬ等.用于高超声速边界层转捩研究的标模气动布局及设计方法.中国:１０９９６９３７４Ｂ[Ｐ].２０２１￣０５￣１８.ＣｈｅｎＪＱꎬＬｉｕＳＳꎬＬｉｕＺＹꎬｅｔａｌ.Ｓｔａｎｄａｒｄｍｏｄｅｌａｅｒｏ￣ｄｙｎａｍｉｃｌａｙｏｕｔａｎｄｄｅｓｉｇｎｍｅｔｈｏｄｆｏｒｈｙｐｅｒｓｏｎｉｃｂｏｕｎｄａｒｙｌａｙｅｒｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｒｅｓｅａｒｃｈ.ＣＮꎬ１０９９６９３７４Ｂ[Ｐ].２０２１￣０５￣１８(ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ).[１７]ＬｉｕＳＳꎬＹｕａｎＸＸꎬＬｉｕＺＹꎬｅｔａｌ.Ｄｅｓｉｇｎａｎｄｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆａｓｔａｎｄａｒｄｍｏｄｅｌｆｏｒｈｙｐｅｒｓｏｎｉｃｂｏｕｎｄａｒｙｌａｙｅｒｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｒｅｓｅａｒｃｈ[Ｊ].ＡｃｔａＭｅｃｈａｎｉｃａＳｉｎｉｃａꎬ２０２１ꎬ３７(１１):１６３７￣１６４７.[１８]ＣｈｅｎＸꎬＤｏｎｇＳＷꎬＴｕＧＨꎬｅｔａｌ.Ｂｏｕｎｄａｒｙｌａｙｅｒｔｒａｎ￣ｓｉｔｉｏｎａｎｄｌｉｎｅａｒｍｏｄａｌｉｎｓｔａｂｉｌｉｔｉｅｓｏｆｈｙｐｅｒｓｏｎｉｃｆｌｏｗｏｖｅｒａｌｉｆｔｉｎｇｂｏｄｙ[Ｊ].ＪｏｕｒｎａｌｏｆＦｌｕｉｄＭｅｃｈａｎｉｃｓꎬ２０２２ꎬ９３８(４０８):Ａ８.[１９]ＱｉＨꎬＬｉＸＬꎬＹｕＣＰꎬｅｔａｌ.Ｄｉｒｅｃｔｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｈｙｐｅｒｓｏｎｉｃｂｏｕｎｄａｒｙｌａｙｅｒｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｏｖｅｒａｌｉｆｔｉｎｇ￣ｂｏｄｙｍｏｄｅｌＨｙＴＲＶ[Ｊ].ＡｄｖａｎｃｅｓｉｎＡｅｒｏｄｙｎａｍｉｃｓꎬ２０２１ꎬ３(１):３１.[２０]万兵兵ꎬ陈曦ꎬ陈坚强ꎬ等.三维边界层转捩预测ＨｙＴＥＮ软件在高超声速典型标模中的应用[Ｊ].空天技术ꎬ２０２３(１):１５０￣１５８.ＷａｎＢＢꎬＣｈｅｎＸꎬＣｈｅｎＪＱꎬｅｔａｌ.ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｏｆＨｙＴＥＮｓｏｆｔｗａｒｅｆｏｒｐｒｅｄｉｃｔｉｎｇｔｈｒｅｅ￣ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｂｏｕｎｄａｒｙ￣ｌａｙｅｒｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｉｎｔｙｐｉｃａｌｈｙｐｅｒｓｏｎｉｃｍｏｄｅｌｓ[Ｊ].ＡｅｒｏｓｐａｃｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ２０２３(１):１５０￣１５８(ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ). [２１]ＭｅｎｔｅｒＦＲꎬＬａｎｇｔｒｙＲＢꎬＬｉｋｋｉＳＲꎬｅｔａｌ.Ａｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ￣ｂａｓｅｄｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｍｏｄｅｌｕｓｉｎｇｌｏｃａｌｖａｒｉａｂｌｅｓ ＰａｒｔⅠ:ｍｏｄｅｌｆｏｒｍｕｌａｔｉｏｎ[Ｊ].ＪｏｕｒｎａｌｏｆＴｕｒｂｏｍａｃｈｉｎｅｒｙꎬ２００６ꎬ１２８(３):４１３￣４２２.[２２]ＬａｎｇｔｒｙＲＢꎬＭｅｎｔｅｒＦＲꎬＬｉｋｋｉＳＲꎬｅｔａｌ.Ａｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ￣ｂａｓｅｄｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｍｏｄｅｌｕｓｉｎｇｌｏｃａｌｖａｒｉａｂｌｅｓ ＰａｒｔⅡ:ｔｅｓｔｃａｓｅｓａｎｄｉｎｄｕｓｔｒｉａｌａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ[Ｊ].ＪｏｕｒｎａｌｏｆＴｕｒ￣ｂｏｍａｃｈｉｎｅｒｙꎬ２００６ꎬ１２８(３):４２３￣４３４.[２３]ＬａｎｇｔｒｙＲＢꎬＭｅｎｔｅｒＦＲ.Ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ￣ｂａｓｅｄｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｍｏｄｅｌｉｎｇｆｏｒｕｎｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄｐａｒａｌｌｅｌｉｚｅｄｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌｆｌｕｉｄｄｙｎａｍｉｃｓｃｏｄｅｓ[Ｊ].ＡＩＡＡＪｏｕｒｎａｌꎬ２００９ꎬ４７(１２):２８９４￣２９０６.[２４]孟德虹ꎬ张玉伦ꎬ王光学ꎬ等.γ￣Ｒｅθ转捩模型在二维低速问题中的应用[Ｊ].航空学报ꎬ２０１１ꎬ３２(５):７９２￣８０１.ＭｅｎｇＤＨꎬＺｈａｎｇＹＬꎬＷａｎｇＧＸꎬｅｔａｌ.Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆγ￣Ｒｅθｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｍｏｄｅｌｔｏｔｗｏ￣ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｌｏｗｓｐｅｅｄｆｌｏｗｓ[Ｊ].ＡｃｔａＡｅｒｏｎａｕｔｉｃａｅｔＡｓｔｒｏｎａｕｔｉｃａＳｉｎｉｃａꎬ２０１１ꎬ３２(５):７９２￣８０１(ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ).[２５]牟斌ꎬ江雄ꎬ肖中云ꎬ等.γ￣Ｒｅθ转捩模型的标定与应用[Ｊ].空气动力学学报ꎬ２０１３ꎬ３１(１):１０３￣１０９.ＭｏｕＢꎬＪｉａｎｇＸꎬＸｉａｏＺＹꎬｅｔａｌ.Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎａｎｄｃａｌｉｂｅｒａｔｉｏｎｏｆγ￣Ｒｅθｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｍｏｄｅｌ[Ｊ].ＡｃｔａＡｅｒｏｄｙ￣ｎａｍｉｃａＳｉｎｉｃａꎬ２０１３ꎬ３１(１):１０３￣１０９(ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ). [２６]郭隽ꎬ刘丽平ꎬ徐晶磊ꎬ等.γ￣Ｒｅ~θｔ转捩模型在跨声速涡轮叶栅中的应用[Ｊ].推进技术ꎬ２０１８ꎬ３９(９):１９９４￣２００１.９１气体物理２０２４年㊀第９卷ＧｕｏＪꎬＬｉｕＬＰꎬＸｕＪＬꎬｅｔａｌ.Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆγ￣Ｒｅ~θｔｔｒａｎ￣ｓｉｔｉｏｎｍｏｄｅｌｉｎｔｒａｎｓｏｎｉｃｔｕｒｂｉｎｅｃａｓｃａｄｅｓ[Ｊ].ＪｏｕｒｎａｌｏｆＰｒｏｐｕｌｓｉｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ２０１８ꎬ３９(９):１９９４￣２００１(ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ).[２７]郑赟ꎬ李虹杨ꎬ刘大响.γ￣Ｒｅθ转捩模型在高超声速下的应用及分析[Ｊ].推进技术ꎬ２０１４ꎬ３５(３):２９６￣３０４.ＺｈｅｎｇＹꎬＬｉＨＹꎬＬｉｕＤＸ.Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎａｎｄａｎａｌｙｓｉｓｏｆγ￣Ｒｅθｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｍｏｄｅｌｉｎｈｙｐｅｒｓｏｎｉｃｆｌｏｗ[Ｊ].ＪｏｕｒｎａｌｏｆＰｒｏｐｕｌｓｉｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ２０１４ꎬ３５(３):２９６￣３０４(ｉｎＣｈｉ￣ｎｅｓｅ).[２８]孔维萱ꎬ阎超ꎬ赵瑞.γ￣Ｒｅθ模式应用于高速边界层转捩的研究[Ｊ].空气动力学学报ꎬ２０１３ꎬ３１(１):１２０￣１２６.ＫｏｎｇＷＸꎬＹａｎＣꎬＺｈａｏＲ.γ￣Ｒｅθｍｏｄｅｌｒｅｓｅａｒｃｈｆｏｒｈｉｇｈ￣ｓｐｅｅｄｂｏｕｎｄａｒｙｌａｙｅｒｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ[Ｊ].ＡｃｔａＡｅｒｏｄｙ￣ｎａｍｉｃａＳｉｎｉｃａꎬ２０１３ꎬ３１(１):１２０￣１２６(ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ). [２９]张毅锋ꎬ何琨ꎬ张益荣ꎬ等.Ｍｅｎｔｅｒ转捩模型在高超声速流动模拟中的改进及验证[Ｊ].宇航学报ꎬ２０１６ꎬ３７(４):３９７￣４０２.ＺｈａｎｇＹＦꎬＨｅＫꎬＺｈａｎｇＹＲꎬｅｔａｌ.ＩｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔａｎｄｖａｌｉｄａｔｉｏｎｏｆＭｅｎｔｅｒᶄｓｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｍｏｄｅｌｆｏｒｈｙｐｅｒｓｏｎｉｃｆｌｏｗｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ[Ｊ].ＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓꎬ２０１６ꎬ３７(４):３９７￣４０２(ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ).[３０]ＬａｎｇｔｒｙＲＢꎬＳｅｎｇｕｐｔａＫꎬＹｅｈＤＴꎬｅｔａｌ.Ｅｘｔｅｎｄｉｎｇｔｈｅγ￣Ｒｅθｔｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎｂａｓｅｄｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｍｏｄｅｌｆｏｒｃｒｏｓｓｆｌｏｗｅｆｆｅｃｔｓ(Ｉｎｖｉｔｅｄ)[Ｒ].ＡＩＡＡ２０１５￣２４７４ꎬ２０１５. [３１]ＳａｒｋａｒＳ.Ｔｈｅｐｒｅｓｓｕｒｅ￣ｄｉｌａｔａｔｉｏｎｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎｉｎｃｏｍｐｒｅｓｓｉ￣ｂｌｅｆｌｏｗｓ[Ｊ].ＰｈｙｓｉｃｓｏｆＦｌｕｉｄｓＡꎬ１９９２ꎬ４(１２):２６７４￣２６８２.[３２]ＷｉｌｃｏｘＤＣ.Ｄｉｌａｔａｔｉｏｎ￣ｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎｓｆｏｒａｄｖａｎｃｅｄｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅｍｏｄｅｌｓ[Ｊ].ＡＩＡＡＪｏｕｒｎａｌꎬ１９９２ꎬ３０(１１):２６３９￣２６４６.[３３]马祎蕾ꎬ余平ꎬ姚世勇.壁温对钝三角翼边界层稳定性及转捩影响[Ｊ].空气动力学学报ꎬ２０２０ꎬ３８(６):１０１７￣１０２６.ＭａＹＬꎬＹｕＰꎬＹａｏＳＹ.Ｅｆｆｅｃｔｏｆｗａｌｌｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｎｓｔａｂｉｌｉｔｙａｎｄｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｏｆｈｙｐｅｒｓｏｎｉｃｂｏｕｎｄａｒｙｌａｙｅｒｏｎａｂｌｕｎｔｄｅｌｔａｗｉｎｇ[Ｊ].ＡｃｔａＡｅｒｏｄｙｎａｍｉｃａＳｉｎｉｃａꎬ２０２０ꎬ３８(６):１０１７￣１０２６(ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ).０２。
LBM方法模拟多孔介质流动与传热问题
(r,t )
(2)
其中 δt 为时间步长，ei 为格子离散速度。τf 为密度分布计算的弛豫时间，τg 为温度密度函数计算的弛豫时 间。宏观 温度、 热流密 度可通 过以下 公式获 得：
8
T = ∑ Tα
(3)
α =0
∑ q =
i
eiTi
τT
− 0.5δ t τT
ρcp
(4)
其中 ρcp 为相应的物性参数，τT 为温度分布弛豫时间，δt 为时间步长。同时在得到稳态条件下热流密度的 情况下， 根据傅 里叶导 热定律 ，可以 获得有 效导热 系数的 计算 公式：
Received: Feb. 21st, 2019; accepted: Mar. 8th, 2019; published: Mar. 15th, 2019
Abstract
In this paper, a digital model of porous media is obtained by four-parameter stochastic generation method. And an improved lattice Boltzmann method is used to simulate the flow and heat transfer problems in this porous media. The distribution of velocity and temperature is obtained at different porosity. On the basis of the results, the effective thermal conductivity of porous media is calculated. And the value is affected by the flow state in porous media. A reliable simulation method for study flow and heat transfer in porous media can be obtained in this paper.
中国地质大学(北京)承认的SCI收录的中国期刊
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46国际泥沙研究（英文版）INT J SEDIMENT RES1001-6279 1.70847国际数字地球杂志INTERNATIONALJOURNAL OF DIGITALEARTH1753-8947 1.45348国际眼科杂志INT J OPHTHALMOL-CHI1672-51230 49核技术（英文版）NUCL SCI TECH1001-80420.204 50红外与毫米波学报J INFRARED MILLIM W1001-90140.45251华中科技大学学报（医学,英德文版）J HUAZHONG U SCI-MED1672-07330.40552化学进展PROG CHEM1005-281X0.56 53化学学报ACTA CHIM SINICA0567-73510.611 54机械工程学报（英文版）CHIN J MECH ENG-EN1000-93450.194 55计算机辅助工程ADV APPL MATH MECH2070-07330.51 56计算机科学技术学报（英文版）J COMPUT SCI TECH-CH1000-90000.142 57计算流体力学工程应用ENG APPL COMP FLUID1994-20600.36 58计算数学（英文版）J COMPUT MATH0254-94090.76 59计算物理通讯-英COMMUN COMPUT PHYS1815-2406 1.835 60交通运输计量（英文版）TRANSPORTMETRICA1812-86020.808 61结构化学（中+英文版）CHINESE J STRUC CHEM0254-58610.624 62金属学报ACTA METALL SIN0412-19610.477 63科学通报（英文版）CHINESE SCI BULL1001-6538 1.087 64颗粒学报PARTICUOLOGY1674-2001 1.317 65昆虫科学（英文版）INSECT SCI1672-9609 1.129 66理论物理通讯（英文版）COMMUN THEOR PHYS0253-61020.488 67力学学报（英文版）ACTA MECH SINICA-PRC0567-77180.74968纳米研究NANO RES1998-0124 5.071 69气象学报（英文版）ACTA METEOROL SIN0894-05250.704 70热带气象学报（英文版）J TROP METEOROL1006-87750.38 71热科学学报（英文版）J THERM SCI1003-21690.212 72山地科学学报(英文版)J MT SCI-ENGL1672-63160.632 73生命科学杂志LIFE SCI J1097-81350.158 74生物化学与生物物理进展PROG BIOCHEM BIOPHYS1000-32820.23675生物化学与生物物理学报（英文版）ACTA BIOCH BIOPH SIN1672-9145 1.54776生物医学与环境科学（英文版）BIOMEDICAL ANDENVIRONMENTALSCIENCES0895-3988 1.06377世界儿科杂志（英文版）WORLD J PEDIATR1708-85690.945 78世界胃肠病学杂志(英文版）WORLD J GASTROENTERO1007-9327 2.24 79数学年刊(B辑,英文版）CHINESE ANN MA TH B0252-95990.452 80数学物理学报（英文版）ACTA MATH SCI0252-96020.213 81数学学报（新辑，英文版）ACTA MATH SIN1439-85160.54 82天然气化学（英文版）J NAT GAS CHEM1003-9953 1.34583天文和天体物理学研究（英文版）RES ASTRON ASTROPHYS1674-45270.85684无机材料学报J INORG MATER1000-324X0.397 85无机化学学报CHINESE J INORG CHEM1001-48610.6786武汉理工大学学报(材料科学,英文版）J WUHAN UNIV TECHNOL1000-24130.38387物理化学学报ACTA PHYS-CHIM SIN1000-68180.734 88物理学报ACTA PHYS SIN-CH ED1000-3290 1.259 89稀土学报（英文版）J RARE EARTH1002-0721 1.086 90稀有金属(英文版)RARE METALS1001-05210.643 91稀有金属材料与工程RARE METAL MAT ENG1002-185X0.139 92系统工程与电子技术（英文版）J SYST ENG ELECTRON1004-41320.21193系统科学与复杂性学报（英文版）J SYST SCI COMPLEX1009-61240.56494细胞研究（英文版）CELL RES1001-06029.417 95香港儿科杂志HONG KONG J PAEDIATR1013-99230.211 96香港急诊医学杂志HONG KONG J EMERG ME1024-90790.167 97香港皮肤科学杂志HONG KONG J DERMATOL1814-74530.059 98香港职业治疗杂志（英文版）HONG KONG J OCCUP TH1569-18610.14399消化病杂志（英文版）JOURNAL OF DIGESTIVEDISEASES1751-2972 1.87100新型炭材料NEW CARBON MA TER1007-88270.888 101亚太医药杂志（英文版）ASIAN PAC J TROP MED1995-76450.172102亚洲男科学杂志（英文版）ASIAN J ANDROL1008-682X 1.549103亚洲天然产物研究杂志（英文版）JOURNAL OF ASIANNATURAL PRODUCTSRESEARCH1028-60200.706104亚洲外科杂志(英文版)ASIAN J SURG1015-95840.652 105遗传学报（英文版）J GENET GENOMICS1673-8527 1.494 106应用数学和力学（英文版）APPL MATH MECH-ENGL0253-48270.514 107应用数学学报(英文版)ACTA MATH APPL SIN-E0168-96730.371 108有机化学CHINESE J ORG CHEM0253-27860.555 109运动科学杂志(（英文版）J EXERC SCI FIT1728-869X0.421110浙江大学学报（A 应用物理与工程，英文版）J ZHEJIANG UNIV-SC A1673-565X0.322111浙江大学学报（B 生物医学,生物化学与生物技术，英文版）J ZHEJIANG UNIV-SC B1673-1581 1.027112真菌多样性(英文版）FUNGAL DIVERS1560-2745 5.074 113整合动物学INTEGRATIVE ZOOLOGY1749-48771 114植物分类学报J SYST EVOL1674-4918 1.295115植物学报(英文版）JOURNAL OFINTEGRATIVE PLANTBIOLOG1672-9072 1.603116中国癌症研究（英文版）CHINESE J CANCER RES1000-96040.252 117中国地理科学（英文版）CHINESE GEOGR SCI1002-00630.656 118中国光学快报（英文版）CHIN OPT LETT1671-76940.692 119中国海洋工程（英文版）CHINA OCEAN ENG0890-54870.302 120中国海洋湖沼学报（英文版）CHIN J OCEANOL LIMN0254-40590.325 121中国航空学报（英文版）CHINESE J AERONAUT1000-93610.301 122中国化学（英文版）CHINESE J CHEN1001-604X0.773 123中国化学(英文版) CHINESE J CHEM PHYS1674-00680.642 124中国化学工程学报（英文版）CHINESE J CHEM ENG1004-95410.901 125中国化学快报（英文版）CHINESE CHEM LETT1001-84170.775 126中国结合医学杂志（英文版）CHIN J INTEGR MED1672-04150.578 127中国免疫学杂志(英文版)CELL MOL IMMUNOL1672-7681 2.026128中国农业经济评论CHINA AGRICULTURALECONOMIC REVIEW1756-137X0.167129中国神经再生研究（英文版）NEURAL REGEN RES1673-53740.18 130中国数学前沿FRONT MATH CHINA1673-34520.494131中国天文和天体物理学报（英文版）CHINESE J ASTRON AST1009-92710.849132中国通讯（英文版）CHINA COMMUN1673-54470.058133中国物理(物理学报-海外B版)CHINESE PHYS B1674-1056 1.63134中国物理(物理学报-海外C版)CHINESE PHYS C1674-11370.266135中国物理快报（英文版）CHINESE PHYS LETT0256-307X 1.077 136中国物理前沿FRONT PHYS CHINA1673-34870.581 137中国药理学报（英文版）ACTA PHARMACOL SIN1671-4083 1.909138中国有色金属学会会刊（英文版）T NONFERR METAL SOC1003-63260.676139中国铸造（英文版）CHINA FOUNDRY1672-64210.204 140中华医学杂志（英文版）CHINESE MED J-PEKING0366-69990.983 141中南工业大学学报（英文版）J CENT SOUTH UNIV T1005-97840.329 142自然科学进展（英文版）PROG NAT SCI1002-00710.832。
REV尺度多孔介质格子Boltzmann方法的数学模型及应用的研究进展
CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS 2016年第35卷第6期·1698·化 工 进 展REV 尺度多孔介质格子Boltzmann 方法的数学模型及应用的研究进展张潇丹1，2，雍玉梅2，李文军3，赵元生4，李媛媛2，杨巧文1，杨超2（1中国矿业大学（北京）化学与环境工程学院，北京 100083；2中国科学院过程工程研究所绿色过程与工程重点实验室，北京 100190；3华北科技学院环境工程学院，河北 廊坊 065201；4中国石油化工研究院渣油加氢实验室，北京 102200）摘要：综述了多孔介质表征体元尺度（REV ）格子Boltzmann 模型的研究进展，根据对多孔介质处理方式主要分为部分反弹模型和阻力模型两类，分析归纳了各类模型的优缺点。
由于阻力模型中渗流的广义格子Boltzmann 方程（GLBE ）的作用力是基于GUO 等的作用力模型，可以准确得到宏观方程，不存在离散误差，且模型的平衡分布函数和作用力项中都包含反应介质特性的孔隙率，因而应用最为广泛。
本文还重点介绍了REV 尺度多孔介质LBE 模型在流动、传热、传质、化学反应及相变等过程中的具体应用，认为REV 尺度多孔介质内的三传一反数学模型中需要加入孔隙尺度因素，在更大工程尺度上应该考虑过程参数的各向异性，展望了REV 尺度多孔介质LBE 模型的发展和应用前景。
关键词：多孔介质；表征体元尺度；格子Boltzmann 方法；流动；传热；传质中图分类号：TQ021.9 文献标志码：A 文章编号：1000–6613（2016）06–1698–15 DOI ：10.16085/j.issn.1000-6613.2016.06.010Models and application of lattice Boltzmann method at REV-scalein porous mediaZHANG Xiaodan 1，2，YONG Yumei 2，LI Wenjun 3，ZHAO Yuansheng 4，LI Yuanyuan 2，YANG Qiaowen 1，YANG Chao 2（1School of Chemical & Environmental Engineering ，China University of Mining & Technology (Beijing)，Beijing100083，China ；2Key Laboratory of Green Process and Engineering ，Institute of Process Engineering ，Chinese Academy of Sciences ，Beijing 100190，China ；3School of Environmental Engineering ，North China Institute of Science and Technology ，Langfang 065201，Hebei ，China ；4Laboratory of Residue Hydrotreating ，Research Institute of PetroleumProcessing ，PetroChina ，Beijing 102200，China ）Abstract ：This paper discusses the lattice Boltzmann model at representative elementary volume (REV)scale for porous media. According to different treatments of porous media ，the lattice Boltzmann model at REV-scale for porous media can be classified into two categories ，the partially bouncing-back model and the resistance model. The advantages and disadvantages of various models are analyzed. The Generalized lattice Boltzmann equation (GLBE model) in the resistance model is most widely used. Firstly ，the force item of the GLBM model is based on the method proposed by Guo et al ，which can be第一作者：张潇丹（1989—），女，硕士研究生，主要从事化学工程数值模拟。
2011年国家自然基金获得者名录——北京师范大学
结核分枝杆菌中Pup-蛋白酶体系统对毒素-抗毒素系统功能的调控 张俊杰 北京师范大学 62 基于click化学的新型99mTc标记葡萄糖类似物肿瘤分子探针的设计与合成 张俊波 北京师范大学 60 青少年网络成瘾的形成与戒断的脑机制研究 张锦涛 北京师范大学 23 植物群落物种功能多样性分析方法与应用研究 张金屯 北京师范大学 57 生物多样性的维持机制 张大勇 北京师范大学 600 沙区道路防护体系“前沿栅栏沙垄”发育模式、表面过程及其对防护体系的工程影响 北京师范大学 85 张春来 动物听觉核团及其端脑皮质神经发生的比较研究 曾少举 北京师范大学 65 化学镀法合成金属包覆的介孔碳及其在择形催化中的应用 岳文博 北京师范大学 30 新Besov型和Triebel-Lizorkin型函数空间理论 袁文 北京师范大学 22 大学生毕业前后生涯适应的追踪、Agent模拟和干预研究 于海波 北京师范大学 43 城市绿地系统连接度模拟与生态风险防范研究 于德永 北京师范大学 65 公共支出间横向影响及支出责任纵向划分：基于中国市县级数据的研究 尹恒 北京师范大学 44 益生元对铁质吸收的效应 - 生物利用率与调节机制 杨志江 北京师范大学-香港浸会大学联合国际学院 42 流域水环境、水生态与综合管理 杨志峰 北京师范大学 600 第18届国际生态模拟学会双年会：全球变化及人类与自然耦合系统生态模拟国际会议 北京师范大学 6 杨志峰 北京师范大学地理学基地 杨胜天 北京师范大学 400 纠缠光的存储与提取及相关物理问题的研究 杨国建 北京师范大学 60 相关于算子的Orlicz-型函数空间的实变理论 杨大春 北京师范大学 45 基于心脏磁共振成像的右心室修复手术数值模拟与优化设计及其软件实现 杨淳 北京师范大学 45 收入分配、财富积累和财政政策效应的计算模型 杨澄宇 北京师范大学 42 青海共和盆地风水交互过程的观测与模拟 严平 北京师范大学 85 熟能生巧：记忆练习效应的神经机制及应用 薛贵 北京师范大学 280 区域内城乡一体化义务教育发展路线图研究 薛二勇 北京师范大学 19 面向创新型人才的心理学本科实验/实践教学条件的建设 许燕 北京师范大学 200 技术进步、职业结构变迁及其对我国城镇地区收入差距的影响 邢春冰 北京师范大学 21 强激光-等离子体作用下粒子加速及其PIC模拟改进 谢柏松 北京师范大学 55 集成时间序列多源遥感数据的叶面积指数反演方法研究 肖志强 北京师范大学 65 S100A7促进肺癌细胞生长的胞外作用及其与RAGE的相关性研究 肖雪媛 北京师范大学 63 金属-氧化物界面电子输运理论研究 夏钶 北京师范大学 65 盘B样条和球B样条造型的理论及其应用 武仲科 北京师范大学 60
1.无碰撞激波的MHD模拟方法
无碰撞激波的理想MHD模拟*陆启明，杨维纮（中国科学技术大学近代物理系，合肥230027）［摘要］本文提出了通过求解理想MHD方程模拟空间无碰撞激波的方法，并且使用该方法模拟了垂直无碰撞激波与行星际反向磁场结构和高密度等离子体团的相互作用过程，同时与粒子模拟的结果进行比对。
两者的结果非常类似，而且在MHD模拟中得到了一些粒子模拟中没有观察到的现象。
模拟结果表明了理想MHD模拟是准确且可行的，同时相对于粒子模拟又有很好的计算效率，便于扩展至高维的情形。
［关键词］无碰撞激波MHD方程数值模拟0. 引言行星际空间和星际空间中充满着完全电离的稀薄等离子体，粒子平均自由程非常大，经典库仑碰撞效应往往可以略去。
这些无碰撞的等离子体通常以超声速运动，形成太阳风和星风。
当太阳风和星风遇到存在磁场的行星和恒星的阻挡时，在界面处将形成各种间断面，如地球的磁顶层和弓激波、太阳系的日球顶层等[1]。
以弓激波为例，观察资料表明，弓激波是无碰撞的激波，上游是未扰动的超声速太阳风，而下游的等离子体以亚声速绕过地球的磁顶层[2]。
无碰撞激波是等离子体物理、空间物理和天体物理学中的重要基础性课题，对它的深入研究有助于了解激波本身的产生、演化、耗散机制以及各种行星际结构与激波的相互作用问题。
同时，随着计算机技术的不断发展，使得通过计算机来模拟无碰撞激波成为可能。
对无碰撞激波的数值研究通常可分为两类：粒子模拟和MHD模拟。
前者通过求解Maxwell方程和每个粒子的运动方程得到无碰撞激波的结构及伴随的物理过程，如文献[3]种介绍的方法。
如果模拟足够多的粒子，这种方法可以较好的再现激波的结构。
但限于当前计算机的处理能力，如果要在大尺度和高空间维数情况下使用粒子模拟比较困难。
与之相对应的MHD 模拟方法是通过求解MHD 方程来模拟无碰撞激波的结构和各种物理过程，在高空间维数的模拟中有着较高的计算效率，容易用当前的计算机条件来达到。
本文第一节中讨论了MHD 模拟无碰撞激波的方法，第二节中使用该方法模拟了垂直无碰撞激波与行星际空间结构的相互作用并与粒子模拟的结果进行了对比。
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Ａｐｐ１．Ｍａｔｈ．Ｍｅｃｈ．一Ｅｎｇ１．Ｅｄ．，ａ３（ｓ），９７５—９９０（２０１２） ＤＯＩ １０．１００７／ｓ１０４８３—０１２—１５９９－ｘ ⑥Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ａｎｄ Ｓｐｒｉｎｇｅｒ—Ｖｅｒｌａｇ Ｂｅｒｌｉｎ Ｈｅｉｄｅｌｂｅｒｇ ２０１２
Ａｐｐｌｉｅｄ Ｍａｔｈｅｍａｔｉｃｓ ａｎｄ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ （Ｅｎｇｌｉｓｈ Ｅｄｉｔｉｏｎ）
ＭＨＤ ｆｌｏｗ ｏｆ ｕｐｐｅｒ—ｃｏｎｖｅｃｔｅｄ Ｍａｘｗｅｌｌ ｆｌｕｉｄ ｏｖｅｒ ｐｏｒｏｕｓ ｓｔｒｅｔｃｈｉｎｇ ｓｈｅｅｔ ｕｓｉｎｇ ｓｕｃｃｅｓｓｉｖｅ Ｔａｙｌｏｒ ｓｅｒｉｅｓ ｌｉｎｅａｒｉｚａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ
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（１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍａｔｈｅｍａｔｉａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ ＫｗａＺｕｌｕ—Ｎａｔａｌ，Ｐｒｉｖａｔｅ Ｂａｇ Ｘ０Ｉ， Ｓｃｏｔｔｓｖｉｌｌｅ ３２０９，Ｐｉｅｔｅｒｍａｒｉｔｚｂｕｒｇ，Ｓｏｕｔｈ Ａｆｒｉｃａ； ２．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｍａｔｈｅｍａｔｉｃｓ，Ｑｕａｉｄ—Ｉ—Ａｚａｍ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｉｓｌａｍａｂａｄ ４４０００，Ｐａｋｉｓｔａｎ ３．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｋｉｎｇ Ｓａｕｄ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ）Ｒｉｙａｄｈ １１４５１，Ｓａｕｄｉ Ａｒａｂｉａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｓ ｔｈｅ ｍａｇｎｅｔｏｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃ（ＭＨＤ）ｂｏｕｎｄａｒｙ ｌａｙｅｒ ｆｌｏｗ ｏｆ ａｎ ｉｎｃｏｍｐｒｅｓｓｉｂｌｅ ｕｐｐｅｒ—ｃｏｎｖｅｃｔｅｄ Ｍａｘｗｅｌｌ ｆＵＣＭ）ｆｌｕｉｄ ｏｖｅｒ ａ ｐｏｒｏｕｓ ｓｔｒｅｔｃｈｉｎｇ ｓｕｒｆａｃｅ．Ｓｉｍｉｌａｒｉｔｙ ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎｓ ａｒｅ ｕｓｅｄ ｔｏ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｇｏｖｅｒｎｉｎｇ ｐａｒｔｉａｌ ｄｉｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｅｑｕａｔｉｏｎｓ ｉｎｔｏ ａ ｋｉｎｄ ｏｆ ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｏｒｄｉｎａｒｙ ｄｉｆｉｅｒｅｎｔｉａｌ ｅｑｕａｔｉｏｎｓ．Ｔｈｅ ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｐｒｏｂ— ｌｅｍ ｉｓ ｓｏｌｖｅｄ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｓｕｃｃｅｓｓｉｖｅ Ｔａｙｌｏｒ ｓｅｒｉｅｓ ｌｉｎｅａｒｉｚａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｆＳＴＳＬＭ１．Ｔｈｅ ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎｓ ｆｏｒ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ａｒｅ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ ｆｏｒ ｔｈｅ ｅｍｅｒｇｉｎｇ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ．Ｔｈｅ
ｎｕｍｅｒｉｃａ１ ｖａｌｕｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｋｉｎ ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｃｏｅｍｃｉｅｎｔ ａｒｅ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ａｎｄ ａｎａｌｙｚｅｄ ｆｏｒ ｖａｒｉｏｕｓ
ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｉｎｔｅｒｅｓｔ ｉｎ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｕｐｐｅｒ—ｃｏｎｖｅｃｔｅｄ Ｍａｘｗｅｌｌ（ＵＣＭ）ｆｌｕｉｄ，ｂｏｕｎｄａｒｙ ｌａｙｅｒ ｆｌｏｗ，ｓｕｃｃｅｓｓｉｖｅ ｌｉｎｅａｒｉｚａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ，ｓｕｃｃｅｓｓｉｖｅ Ｔａｙｌｏｒ ｓｅｒｉｅｓ ｌｉｎｅａｒｉｚａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ（ＳＴＳＬＭ）
Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｌｉｂｒａｒｙ Ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ ０３５７．４，Ｏ３６１．３ ２０１０ Ｍａｔｈｅｍａｔｉｃｓ Ｓｕｂｊｅｃｔ Ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ ７６Ａ１０，７６Ｄ１０，７４Ｓ２５，７６Ｍ２２
Ｎｏｍｅｎｃｌａｔｕｒｅ
ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ； ｖｅｒｔｉｃａｌ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ； ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ ｉｎ ｚ—ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ； ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ ｉｎ Ｙ—ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ； ｒｅｌａｘａｔｉｏｎ ｔｉｍｅ； ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｉｅｌｄ； ｋｉｎｅｍａｔｉｃ ｖｉｓｃｏｓｉｔｙ； ｆｌｕｉｄ ｄｅｎｓｉｔｙ； ｅｌｅｃｔｒｉｃａ１ ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｖ： ｓｕｃｔｉｏｎ／ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ ｖｅｌｏｃｉｔｙ；
１ Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ
Ｎ ． ｓｔｒｅａｍ ｆｕｎｃｔｉｏｎ； ｓｉｍｉｌａｒｉｔｙ ｖａｒｉａｂｌｅ； ｄｉｍｅｎｓｉｏｎｌｅｓｓ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｏｆ卵： ｅｌａｓｔｉｃｉｔｙ ｐａｒａｍｅｔｅｒ； ｄｉｍｅｎｓｉｏｎｌｅｓｓ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｐａｒａｍｅｔｅｒ； ｄｉｍｅｎｓｉｏｎｌｅｓｓ ｓｕｃｔｉｏｎ／ｉｎｊｅｅｔｉｏｎ ｖｅ— ｌｏｃｉｔｙ； ｃｏｌｌｏｃａｔｉｏｎ ｐｏｉｎｔ； ｉｎｔｅｒｖａｌ ｌｅｎｇｔｈ．
Ｔｈｅ ｂｏｕｎｄａｒｙ ｌａｙｅｒ ｆｌｏｗ ｏｖｅｒ ａ ｓｔｒｅｔｃｈｉｎｇ ｓｕｒｆａｃｅ ｈａｓ ｗｉｄｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｉｎ ｔｈｅ ｐｏｌｙｍｅｒ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｏｆ ａ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｐｌａｎｔ ａｎｄ ｔｈｅ ｍｅｔａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｉｎ ｍｅｔａｌｌｕｒｇｙ．Ｆｏｒ ｉｎｓｔａｎｃｅ，
Ｒｅｃｅｉｖｅｄ Ｊｕｎ．１０，２０１ １／Ｒｅｖｉｓｅｄ Ｍａｒ．２０，２０１２ Ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ａｕｔｈｏｒ Ｓ．Ｓ．ＭＯＴＳＡ，Ｐｒｏｆｅｓｓｏｒ，Ｐｈ．Ｄ．，Ｅ—ｍａｉｌ：ｓａｎｄｉｌｅｍｏｔｓａ＠ｇｍ １．ｃｏｍ
ｒ ９７６ Ｓ．Ｓ．ＭＯＴＳＡ，Ｔ．ＨＡＹＡＴ，ａｎｄ Ｏ．Ｍ．ＡＬＤＯＳＳＡＲＹ ｔｈｅ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｐｌａｓｔｉｃ ｓｈｅｅｔｓ ａｎｄ ｆｏｉｌｓ ｉｎｖｏｌｖｅｓ ｔｈｅ ｅｘｔｒｕｓｉｏｎ ｏｆ ｍｏｌｔｅｎ ｐｏｌｙｍｅｒｓ ｔｈｒｏｕｇｈ ａ ｓｌｉｔ ｄｉｅ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｅｘｔｒｕｄａｔｅ ｃｏｌｌｅｃｔｅｄ ｂｙ ａ ｗｉｎｄ—ｕｐ ｒｏｌｌ ｕｐｏｎ ｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ． Ｂｏｔｈ ｈｅａｔ ａｎｄ ｍｏｍｅｎｔｕｍ ｔｒａｎｓｆｅｒ ａｓｐｅｃｔｓ ａｒｅ ｉｎｖｏｌｖｅｄ ｉｎ ｓｕｃｈ ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｔｈｅｒｅ ｅｘｉｓｔ ｔｈｅ ｓｉｔｕａｔｉｏｎｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｐｌａｓｔｉｃ ｓｈｅｅｔ ｉｓ ｓｔｒｅｔｃｈｅｄ ｗｉｔｈｏｕｔ ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ，ｓｕｃｈ ａｓ ｔｈｅ ｃａｓｅ ｏｆ ｃｏｌｄ ｄｒａｗｉｎｇ ｏｆ ａ ｐｌａｓｔｉｃ ｓｈｅｅｔ．Ｔｈｅ ｐｌａｓｔｉｃ ｓｈｅｅｔ ｉｎ ｔｈｉｓ ｓｉｔｕａｔｉｏｎ ｉｓ ｅｌｏｎｇａｔｅｄ ｉｎ ｃｅｒｔａｉｎ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ ｏｆ ｉｔｓ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｉｎ ｔｈｅ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎｓ［１一引．Ｃｒａｎｅ［４１ ｆｉｒｓｔ ｆｏｒｍｕｌａｔｅｄ
ｔｈｅ ｓｔｅａｄｙ ｔｗｏ—ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｂｏｕｎｄａｒｙ １ａｙｅｒ ｆｌｏｗ ｂｙ ｓｔｒｅｔｃｈｉｎｇ ａ ｆｉａｔ ｅｌａｓｔｉｃ ｓｕｒｆａｃｅ．Ｌａｔｅｒ．ｉｎ ｖｉｅｗ ｏｆ ｉｔｓ ｗｉｄｅｓｐｒｅａｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，ｓｅｖｅｒａｌ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｏｒｓ ａｎａｌｙｚｅｄ ｔｈｅ ｓｔｒｅｔｃｈｉｎｇ ｆｌｏｗ ｕｎｄｅｒ ｖａｒｉｏｕｓ ａｓｐｅｃｔｓ ｏｆ ｒｏｔａｔｉｏｎ，ｈｅａｔ ａｎｄ ｍａｓｓ ｔｒａｎｓｆｅｒ，ｃｈｅｍｉｃａｌ ｒｅａｃｔｉｏｎ，ｓｕｃｔｉｏｎ／ｉｎ ．ｉｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｍａｇｎｅｔｏｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃｓ ｆＭＨＤ１ ｆｏｒ ｄｉｆｉｅｒｅｎｔ ｆｌｕｉｄ ｍｏｄｅｌｓ［５ ．Ｉｔ ｉｓ ｎｅｅｄｌｅｓｓ ｔｏ ｓａｙ ｔｈａｔ ｉｎ ａｌｌ ｔｈｅｓｅ ｓｔｕｄｉｅｓ．ｔｈｅ ｖｉｓｃｏｕｓ ｆｌｕｉｄｓ ａｎｄ ｓｕｂｃｌａｓｓｅｓ ｏｆ ｄｉｔｉｅｒｅｎｔｉａｌ ｔｙｐｅ ｆｌｕｉｄｓ ａｒｅ ｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄ．Ｉｔ ｍａｙ ａｌｓｏ ｂｅ ｐｏｉｎｔｅｄ ｏｕｔ ｔｈａｔ ｔｈｅｒｅ ａｒｅ ｆｅｗ ｓｔｕｄｉｅｓ ｗｈｉｃｈ ｄｅｓｃｒｉｂｅ ｔｈｅ ｓｔｒｅｔｃｈｉｎｇ ｆｌｏｗ ｏｆ ａ ｓｉｍｐｌｅｓｔ ｓｕｂｃｌａｓｓ ｏｆ ｒａｔｅ ｔｙｐｅ ｆｌｕｉｄｓ ｆｉ．ｅ．，ｔｈｅ Ｍａｘｗｅｌ１ ｆｌｕｉｄ）［１Ｓ－２０１．Ｉｔ ｉＳ ｎｏ ｄｏｕｂｔ ｔｈａｔ ｉｎ ｔｈｅ ｓｔｒｅｔｃｈｉｎｇ
ｐｒｏｃｅｓｓ，ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｄ ｆｏｒｃｅ ｐｕｌｌｉｎｇ ｔｈｅ ｓｈｅｅｔ ｐｌａｙｓ ａ ｖｉｔａｌ ｒｏｌｅ．Ｓｕｃｈ ａ ｆｏｒｃｅ ｌａｒｇｅｌｙ ｄｅｐｅｎｄｓ ｏｎ ｔｈｅ ｅｘｔｅｎｓｉｏｎａｌ ｖｉｓｃｏｓｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｓｈｅｅｔ ｍａｔｅｒｉａ１．Ｉｔ ａｌｓｏ ｄｅｐｅｎｄｓ ｏｎ ｔｈｅ ｖｉｓｃｏｅｌａｓｔｉｃ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｆｌｕｉｄ ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ ｔｈｅ ｓｈｅｅｔ．Ｔｈｅ ｐｏｌｙｍｅｒ ａｄｄｉｔｉｖｅｓ ｌｅａｄ ｔｏ ｔｈｅ ｖｉｓｃｏｅｌａｓｔｉｃ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｉｎ ｔｈｅ ｆｌｕｉｄ ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ ｔｈｅ ｓｈｅｅｔ． Ｔｈｅ ｍａｉｎ ａｉｍ ｉｎ ｔｈｅ ｐｒｅｓｅｎｔ ｓｔｕｄｙ ｉｓ ｔｏ ｐｒｏｖｉｄｅ ｔｈｅ ｃｏｒｒｅｃｔ ａｎａｌｙｓｉｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ＭＨＤ ｂｏｕｎｄａｒｙ ｌａｙｅｒ ｆｌｏｗ ｏｆ ｔｈｅ Ｍａｘｗｅｌｌ ｆｌｕｉｄ ｂｏｕｎｄｅｄ ｂｙ ａ ｓｔｒｅｔｃｈｉｎｇ ｓｕｒｆａｃｅ．Ｔｈｅ ｃｏｒｒｅｃｔ ｖｅｒｓｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｅｑｕａｔｉｏｎ ｉｎ Ｉ １８－２０ｌ ｉｓ ｕｓｅｄ．Ｂｏｔｈ ｓｕｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｉｎ （ ） ．．ｉｅｃｔｉｏｎ ｏｒ ｂｌｏｗｉｎｇ ｃａｓｅｓ ａｒｅ ｅｘａｍｉｎｅｄ Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｉｎｇ ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｐｒｏｂｌｅｍ ｉｓ ｓｏｌｖｅｄ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｓｅｍｉ—ａｎａｌｙｔｉｃ ａｎｄ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｔｒｅａｔｍｅｎｔｓ． Ａ ｎｅｗ ｍｅｔｈｏｄ，ｔｅｒｍｅｄ ｔｈｅ ｓｕｃｃｅｓｓｉｖｅ Ｔａｙｌｏｒ ｓｅｒｉｅｓ ｌｉｎｅａｒｉｚａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ（ＳＴＳＬＭ） ｉｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｏｂｔａｉｎ ｔｈｅ ｓｏｌｕｔｉｏｎ．Ｔｈｅ ＳＴＳＬＭ ｉｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｌｉｎｅａｒｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｇｏｖｅｒｎｉｎｇ ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｅｑｕａｔｉｏｎｓ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｒｅｐｅａｔｅｄ Ｔａｙｌｏｒ ｓｅｒｉｅｓ ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ ＳＴＳＬＭ ｉｓ ｔｈｅ ｇｅｎｅｒａｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｕｃｃｅｓｓｉｖｅ ｌｉｎｅａｒｉｚａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｔｈａｔ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｒｅｃｅｎｔｌｙ ｒｅｐｏｒｔｅｄ ａｎｄ ｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙ ｕｓｅｄ ｉｎ ｓｏｌｖｉｎｇ ｓｅｖｅｒａｌ ｏｔｈｅｒ ｐｒｏｂｌｅｍｓ［２ｌ一拍Ｊ．Ａ ｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅ ｓｔｕｄｙ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｐｒｅｓｅｎｔ ＳＴＳＬＭ ｒｅｓｕｌｔｓ