高焓激波风洞有效试验时间的诊断

高焓激波风洞能够产生模拟高马赫数飞行条件的气流总温,是研究高温真实气体效应以及再入物理问题的有效试验装备,但是激波风洞的试验时间较短,且随着气流焓值的提高大幅降低,仅为几毫秒,因此试验测试数据曲线中有效时间段的分辨十分重要,它直接影响到试验结果的可靠性及精度。鉴于此,采用压力测量、静电探针测量、非接触光学测量和热流测量的方式,针对中国科学院力学研究所JF-10高焓激波风洞16 MJ/kg总焓、7700 K总温的流场状态,对比研究了风洞喷管的起动时间以及有效测试时间。试验结果表明:静电探针测量方法最为有效地分辨了喷管起动时间段、有效试验时间段以及驱动气体的到达; JF-10高焓风洞在16 MJ/kg的状态下,喷管起动时间约为1.3 ms,风洞有效试验时间约为2 ms。     

火星大气非平衡条件下驻点热流计算公式的探讨

针对目前绝大多数火星再入飞行器驻点热流公式未考虑热力学非平衡效应故而适用性及准确性存疑的问题,分析了典型的零攻角驻点热流公式Fay-Riddell公式在火星再入飞行器热力学非平衡驻点热流计算中的局限性;然后采用数值计算方法,对涵盖火星再入飞行器飞行状态的大范围计算状况开展了热力学非平衡模拟,并对模拟得到的驻点热流公式进行拟合,得到了适用于火星再入飞行器热力学非平衡条件下的零攻角驻点热流计算公式;利用Mars Pathfinder飞行数据对公式进行了验证,计算表明,对于验证的计算状态,该公式的计算误差小于10%,符合工程预估的可接受误差范围。     

高负荷压气机首级可调静叶进口气流参数测试误差分析

为获取高负荷五级压气机试验环境下进口侧单级压气机和出口侧四级压气机各自性能,需在首级可调静叶上布置叶型探针进行级间气流参数测量。对叶型探针的气流状态进行了预估,并在叶型探针校准特性分析基础上定量分析了首级可调静叶进口气流总压和总温测试误差及两者分别对进口侧单级压气机和出口侧四级压气机性能测试精度的影响。研究表明:随着转速降低,叶型探针气流偏角逐渐超出其不敏感角范围,气流总压测试误差显著增大,严重影响进口侧单级压气机和出口侧四级压气机性能评定,但气流总温测试误差随转速变化较小;与出口侧四级压气机相比,进口侧单级压气机压比低、温升小,进出口气流总温和总压测试误差对其等熵效率的影响更加敏感。     

硅基复合材料烧蚀特性试验研究

在电弧加热试验条件下,通过一定范围内压力和焓值的匹配,进行不同热流密度下的硅基复合材料驻点烧蚀试验,获得该防热材料的质量烧蚀率和有效烧蚀焓,并利用回归分析得出该防热材料质量烧蚀率与冷壁热流和驻点压力的试验关系式:mt=0.07232qs,cw O.08784ps0.1206;有效烧蚀焓与气流总焓、驻点压力和热壁焓的两个试验关系式,即Heff=2.0042H00.7753ps-0.08和Heff=1.0024(H0-Hhw)+6.1229.     

激波风洞高焓流动及其驻点对流和辐射热流测量

在激波风洞中用氢氧燃烧驱动方法获得了总压１４ＭＰａ，总温高达７２００Ｋ的高超声速高焓平衡流，可以模拟再入飞行速度４至５ｋｍ／ｓ的真实气体效应，本文还介绍了高温气流中驻点对流和辐射传热测量技术及其测量结果。     

高温气流总焓的测量及微型瞬时探针的研制

讨论测量高温气流总焓的各种方法后，着重介绍了微型瞬时总焓探针的研制和应用。这种快速响应的气动式探针主要由双声速喷管，多孔热交换器和扫描机构组成，它可完成总焓剖面的瞬态测量。     

射流预冷试验用温度探针的设计与测试

针对航空发动机射流预冷试验中气流温度难以测量的问题，设计了1 种温度探针，并提出了测温方法，给出了计算气流 总温的修正公式。在射流预冷试验台上开展了试验验证，该试验台具有加温、喷射冷却水、使用温度探针测量喷水后混合气流温度 的能力。测温试验结果表明：除临近机匣内壁面的测点外，当水气比小于5.5％时，温度探针的测点不遇水。为验证测量方法的准确 性，在不同水气比条件下对测量结果与数值模拟结果的偏差进行了比较，并针对截面平均总温的偏差建立拟合曲线。比较结果表 明：当水气比在3％以下时，测试结果与模拟结果基本吻合，证明了本测试方法具有可行性。     

基于流线跟踪法的气动热工程计算研究

运用结构化网格求解三维Euler方程,计算得到边界层外缘无粘流场气流参数;利用无粘流场气流参数和表面流函数的方法计算了飞行器无粘表面流线分布;在理论和半经验公式的基础上,计算了定比热比和变比热比情况下驻点热流密度,非驻点区域采用参考焓、局部相似性等方法来确定飞行器表面的气动加热,实现了数值算法与工程算法的耦合.上述方法用于求解高超声速钝双锥的表面热流分布,计算结果与经典的热流公式和实验结果进行对比,平均精度为10%左右,满足高超声速飞行器概念研究和初步设计的需要.      

Φ3m高温风洞流场性能校准

中国空气动力研究与发展中心Φ3 m高温风洞是新建成的3米量级暂冲型、自由射流式高温风洞，采用空气/液氧/异丁烷三组元燃烧加热产生高压高温高速气体和真空抽吸联合运行。为评估该高温风洞流场性能，开展了风洞调试和流场校测试验。试验结果表明：风洞可模拟马赫数4～7、高度17～30 km飞行条件下的马赫数、动压、总焓、氧组分、时间等参数，最高总温2 335 K；风洞流场品质好、均匀区尺寸大，喷管出口均匀区尺寸达到喷管出口直径的80%以上，均匀区内马赫数和总温偏差均优于2%；流向马赫数菱形均匀区大于理论预测值，流向总温均匀区呈直筒形分布；风洞长时间运行时流场参数波动小，马赫数和总温波动均优于2%。风洞具备了开展高速飞行器空气动力学、推进、材料与结构等试验研究的能力。     

取样探针流动参数对燃气组分误差影响的数值仿真

燃气组分精准取样是航空发动机燃烧室性能试验分析的关键因素。为了研究燃气取样探针在取样时带来的组分误差及其影响,在取样气体化学反应冻结的基础上,采用组分输运模型结合流固耦合传热的数值仿真方法,构建了3维探针多组分燃气流流动特性求解模型,分析了在不同余气系数下,由取样探针内部流动参数变化引起的燃气组分体积分数误差及其带来的燃烧效率误差影响。结果表明：探针流动参数变化会引起2%以上的相对取样误差。当余气系数为1.14时,CO₂相对取样误差为2.35%,CO相对取样误差为2.34%;当余气系数为2.06时,CO₂相对取样误差为2.04%。在低余气系数环境下取样时,燃气组分取样精度降低,取样误差对燃烧效率误差的影响超过0.1%;随着余气系数的提高,燃气组分取样精度提高,不完全燃烧产物减少,此时取样误差对燃烧效率误差影响可以忽略。     

大气压条件下高焓空气等离子体流场特性及应用

评估和鉴定高超声速飞行器防热材料使用性能,需要在能够模拟飞行气动热环境的高焓设备中进行大量地面试验。详细介绍了一种能够运行在大气压条件下的电感耦合等离子体设备,该设备能够产生多种气体（空气、氮气、二氧化碳、氩气）的等离子体射流,运行功率范围为27~85.5 kW,最大运行效率可达77.9%。通过对30 mm的亚声速喷管出口8 mm处空气等离子体流场参数高精度重构和发射光谱测试研究,获得了气体温度和光谱发射强度沿径向的分布,等离子体的焓值范围为8.54~22.2 MJ/kg,驻点热流最高可达721 W/cm²。选定2个试验状态对典型防热材料C/SiC进行烧蚀氧化考核试验,并通过与国内外同类设备比较,表明该大气压感应耦合等离子体设备达到国际先进水平,完全具备开展高超声速飞行器防热材料性能改进地面模拟试验的能力。     

马赫数10超燃冲压发动机激波风洞实验研究

基于室温氢气驱动激波风洞实现总压28MPa、总焓4.7MJ/kg、名义马赫数10超声速空气自由来流模拟,开展二维超燃冲压发动机自由射流点火实验,实现稳定燃烧,燃烧持续时间5ms。通过此次试验,探索尝试了马赫数10超燃冲压发动机地面点火燃烧试验技术,初步获得了高马赫超燃冲压发动机点火/燃烧过程参数和基本现象规律。试验中,采用高速相机完整记录了氢气喷注、着火、燃烧现象和燃烧持续过程,采用高频压力传感器和热电偶进行沿程壁面压力和热流测量。研究结果表明,马赫数10自由来流条件下,气态氢燃料垂直喷入超声速来流能够实现自点火,并发生剧烈燃烧,燃烧区域压力上升幅度40%,壁面热流上升幅度达100%。     

典型尖楔结构燃气流热试验工况确定方法

在传统冷壁热流模拟方法的基础上,进一步提出以热壁温度及热流密度的时序变化曲线为控制目标的燃气流热试验工况确定方法,即利用壁温控制目标与实测值的偏差对热壁热流控制目标做一定修正,以尽可能消除和弥补前期试验误差,同时利用300K冷壁边界热流密度数据库插值迭代方法,快速确定一定气动热模拟所需燃气流温度,解决了沿飞行轨迹瞬态热试验技术难题之一。利用CFD数值模拟方法,建立了典型尖楔结构高/中温双路燃气流组合热试验300K冷壁边界热流密度数据库,并针对典型尖楔结构沿某飞行轨迹9个典型状态气动热模拟需求,确定相应双路燃气流热模拟参数。相关数值计算结果显示,驻点区域热流密度平均模拟偏差为4.5%,平板区热流密度平均模拟偏差为4.6%,两者最大模拟偏差均不大于8%,满足工程试验精度要求。同时,瞬态热分析结果显示第45s时,距驻点1mm处最大温度梯度达到21K/mm,距驻点10.1mm处最大温度梯度达到18K/mm,满足气动热大温度梯度效应需求。      

涡轮与冲压组合动力高温进气预冷特性

针对涡轮基冲压组合循环发动机中高温进气影响涡轮发动机性能的问题,开展实际某高空模拟试验进气预冷段的数值分析。基于欧拉-拉格朗日多相流方法解析气液两相热质传输过程,探索射流冷却对不同高空高马赫数进气条件时预冷段内温度和压力的沿程变化规律。结果表明,射流冷却对流场具有明显地温降效果。带有射流装置的预冷段内流动损失是以由黏性耗散所引起的耗散熵产为主,而由气-液传热温差所引起流场温度梯度变化的加热熵产并不显著。对比高空模拟试验进气工况在射流量4%~7%的冷却效果发现,预冷段内气流温降程度为32.30~90.08 K,冷却前后总压降系数范围由1.42%~1.86%降低到0.95%~1.46%。因此,射流冷却技术在一定程度上改善涡轮发动机在高空高马赫数工作时进气流场特性。      

改进的VOF方法对气液两相流振荡流动和传热计算的影响

在VOF(volume of fluid)模型的基础上,引入level set函数,形成CLSVOF(coupled level set volume of fluid)模型对气液两相流的振荡流动和传热过程进行数值模拟,与只采用VOF模型模拟的结果进行对比分析,并与实验结果相比较.结果表明:无论是针对矩形空腔中两相流的振荡流动和传热,还是活塞冷却油腔中机油的振荡冷却过程,采用CLSVOF模型都可以更为准确地模拟气液两相流的振荡流动规律,传热系数计算值也与实验结果保持了更高的一致性.对于活塞冷却油腔中机油的振荡冷却计算,随着转速即雷诺数的增大,传热系数计算值的误差开始增大.在极限转速3000r/min时, CLSVOF模型的误差为3.8%,VOF模型的误差为7.5%, CLSVOF模型的误差增幅稳定在0.6%左右.CLSVOF模型的误差较小且误差增幅稳定,说明其计算准确性更高.      

Aerodynamic force and moment measurement of 10° half-angle cone in JF12 shock tunnel

An aerodynamic force and moment measurement was conducted in JF12 long-testduration detonation-driven shock tunnel of Institute of Mechanics,Chinese Academy of Sciences.The test duration of JF12 is 100–130 ms.The nominal Mach number is 7.0 and the exit diameter of the contoured nozzle is 2.5 m.The total enthalpy is 2.5 MJ/kg which duplicates the hypersonic flight conditions of Mach number 7.0 at 35 km altitude.The test model is the standard aerodynamic force model of 10° half-angle sharp cone.The length of the test model is 1500 mm and the weight is 57 kg.The aerodynamic forces were measured with a six-component strain balance.The angles of attack were set to be à5°,0°,5°,10° and 14°,respectively.The experimental results show that in the 100–130 ms test duration,the signals of strain balance have 3–4 complete vibration cycles.So,the aerodynamic forces and moments can be obtained directly by averaging the signals of balance without acceleration compensation.The force measurement error of repeatability of JF12 is less than 2%.The aerodynamic force coefficients of JF12 are in good agreement with those of conventional hypersonic wind tunnels.For this test model at Mach number 7.0 and total enthalpy of 2.5 MJ/kg,the real-gas effects on aerodynamic force characteristics are not very evident.     

叶尖间隙泄漏对厘米级高亚声微型轴流涡轮性能的影响

针对某微型涡轮发动机(MTE)原理样机的直径为78.4mm的微型轴流涡轮,采用数值模拟手段研究了叶尖间隙泄漏对该厘米级高亚声微型轴流涡轮流场结构及涡轮性能的影响.结果表明:微型轴流涡轮相对叶尖间隙尺寸在3.1%~4.6%,明显高于常规轴流涡轮;微型轴流涡轮叶尖间隙泄漏涡影响范围较常规轴流涡轮扩大(至叶中高度),泄漏损失占涡轮级总损失的35%,也较常规轴流涡轮明显增大.研究获得了间隙尺寸对该厘米级高亚声微型轴流涡轮性能的影响规律,叶尖相对间隙尺寸每增加1%叶高,效率最快下降1.9%,其变化幅度较常规轴流涡轮更为明显.最后,根据工程安装的限制(离心力变形及热变形、轴承游隙、加工装配误差等),确定了一个较优的叶尖间隙(0.4mm),通过数值模拟获得了在该间隙下的涡轮性能参数:落压比为2.12,效率为0.87,流量为0.35kg/s.      

高焓化学非平衡流条件下C/SiC复合材料的催化性能

碳化硅陶瓷基复合材料（C/SiC）成为最有希望满足临近空间高超声速飞行器热防护要求的耐高温关键材料之一,其在高焓化学非平衡流条件下的催化性能是评估新一代高超声速飞行器表面气动热载荷,热防护系统精细化设计的关键参数。基于1 MW高频等离子体风洞,采用已建立起的防热材料催化特性试验测试方法开展了C/SiC材料在驻点压力分别为1.0、1.8、3.3和6.0 kPa,焓值为19.3~35.9 MJ/kg范围内的高焓离解空气环境下,在表面温度为1 453~2 003 K范围内的表面催化反应复合效率随表面温度和表面原子压力的变化关系研究。试验结果表明：C/SiC材料在高温条件下的表面催化复合效率应该同时被定义为表面温度、驻点压力和原子分压的函数。根据试验所得到的催化数据,计算了采用C/SiC作为钝头体材料的美国某典型飞行器（飞行高度H=73 km,飞行速度U=6.478 km/s,钝头体半径R_n=410 mm）的气动热环境参数,获得了考虑完全催化和有限催化条件下飞行器表面温度变化历程,结果进一步验证了飞行器热防护系统所承受的气动热载荷以及表面温度响应在很大程度上受到防热材料表面催化特性的影响。     

AMESim仿真技术在高速电磁阀中的应用

以某型航空发动机电子控制系统中的高速电磁阀为研究对象,针对建模仿真问题进行了研究.分析了高速电磁阀工作原理,运用AMESim建模仿真平台,建立了高速电磁阀较为精确的数学模型,并对所建模型的占空比-流量特性进行仿真分析,与该型电磁阀试验数据进行比较,分析所建数学模型的精度及准确性.仿真结果表明:所建高速电磁阀数学模型的占空比-流量特性误差保持在8%以内,能够满足产品所规定的精度要求.