再入三维高超声速粘性流场的数值模拟

基于三维可压Favre质量加权平均N-S方程，采用B-L湍流模型模拟了高超声速条件下，球头双锥再入体周围的流场特征。利用一种改进的时间、空间二阶精度的NND格式，再现了超声速／高超声速条件下再入体周围的复杂流动现象，分析、对比了层流和湍流流场流动现象的差别。     

高超声速再入钝头体表面热流计算

采用边界层外缘无黏流场数值求解三维可压缩定常Euler方程,将所得物面压力分布作为边界层外缘条件,用于边界层内跟踪流线的轴对称比拟工程算法,计算高超声速有攻角再入钝头体的表面热流。某钝双锥算例结果表明:算得的表面热流与实验数据吻合很好。该方法较纯工程算法提高了精度,较数值求解整个流场Navi-er-Stokes方程节省计算时间,对准确计算全轨道飞行复杂形状高超声速飞行器表面的热流分布有一定价值,适宜高超声速飞行器方案设计阶段气动热环境预测的需要。     

二维空腔内的流动及热环境分析

分析了高超声速和超声速流动条件下,二维空腔或台阶等不连续表面引起的分离流动及其内部和附近的局部热环境。讨论了不同尺寸的二维空腔内的流动结构、压力和热流分布特性及其机理,另外还讨论了外界流动参数对它们的影响。     

高超声速流动转捩的数值研究

基于线性稳定性的结果，以类似于处理湍流脉动的方式来模化流场脉动，用以研究高超声速的流动转捩，包括转捩起始位置及转捩区长度．研究中采用Faver平均Navier—Stokes方程k-ε湍流模型，分别以Roe二阶流通昔差分分裂格式和Chakravarthy三阶迎风TVD格式进行离散，数值模拟了椭圆锥的高超声速绕流流场。分析比较了不同的湍流转捩机制，并研究了雷诺数的影响规律。结果表明：Bypass转捩机制是传统的高湍流度风洞中模型流动转捩的主控因素。     

数值模拟侧向超声速单喷流干扰流场特性

采用数值方法研究了平板上超/高超声速来流与超声速横向喷流相撞引起的复杂干扰流场特性。所建立的单介质冷喷流数值模拟方法,经过了表面多方位压力分布测量结果、纹影显示的激波结构以及表面油流图谱表现的表面分离范围的实验验证。根据数值模拟与实验对比的结果,合理地描述了喷流干扰流场压力分布以及表面、空间结构特性,并分析了压力比对流场结构和特性的影响。     

过渡区球头气动力特性DSMC仿真研究

采用DSMC（Direct Simulation Monte-Carlo）方法模拟三维球头过渡区流动。文章给出了球头绕流流场的温度与压力分布图,以及在不同Knudsen数、不同马赫数条件下球头表面压力系数分布曲线,并将阻力系数模拟结果与桥函数公式进行了比较分析。     

一种改进的跨声速旋成体壁面脉动压力经验预测公式

使用大涡模拟（LES）方法对典型整流罩旋成体结构进行非定常数值模拟研究,结果表明引起壁面压力脉动的流场结构随时间和空间变化,不同的流场结构之间相互干扰。同时研究发现,旋成体折角膨胀会造成流动在较短的距离内迅速加减速,同样引起壁面压力脉动。基于上述流动现象,重新划分压力脉动产生区域,通过引入空间修正项,提出一套改进的跨声速旋成体壁面脉动压力经验公式。算例表明,该方法能够显著提高旋成体在跨声速条件下的脉动压力分布的预测精度。     

高超声速飞行器再入段LQR自抗扰控制方法设计

针对高超声速飞行器(HSV)再入过程中强非线性、强耦合、气动参数变化剧烈的不确定性的特点，提出一种基于线性二次型调节器(LQR)和自抗扰控制(ADRC)的高超声速飞行器再入段的姿态控制方法。首先，建立高超声速飞行器再入段线性化模型，并采用LQR方法完成了状态反馈控制律设计。然后，结合自抗扰控制技术，设计了扩张状态观测器(ESO)对系统的模型不确定性和外部干扰进行补偿，大幅增强了系统的扰动抑制能力。最后，将得到的高超声速飞行器再入段LQR自抗扰姿态控制器(LQRADRC)应用于高超声速飞行器六自由度仿真，仿真结果表明本文所提出的控制方法能够快速、精确地跟踪角位置指令，并且对系统不确定性具有强鲁棒性。     

质心偏轴旋成体高超声速气动特性工程计算方法

质心偏轴旋成体高超声速气动特性是弹道式再入飞行器运动轨迹计算必须的原始数据。工程初步设计中,可利用牛顿理论给出这种物体高超声速气动特性的计算公式,并讨论质心偏轴的影响。     

场协同原理在高超声速化学非平衡流动中的推广

应用理论分析与数值模拟方法，将对流传热的场协同原理从不可压缩流动推广至高超声速化学非平衡流动中。结果表明，高超声速化学非平衡层流与湍流的热流密度取决于流动的当地单位体积的动量与单位质量总焓梯度的协同。用当地单位体积的动量与单位质量总焓梯度的协同研究高超声速化学非平衡流动的壁面传热问题，对层流流动下的对流传热，不但计及了高超声速化学非平衡流的密度变化对热流密度的影响，而且包括了静焓梯度、压力梯度、边界层内的分子黏性剪切效应对热流密度的作用；对湍流问题，除了上述层流流动各项对热流密度的影响外，还计及了雷诺剪切应力对热流密度的作用。考虑到高超声速化学非平衡流静焓的定义，高超声速化学非平衡层流及湍流的场协同同时计及所有组分的平动能、转动能、振动能及电子能等梯度的贡献。     

温度分布对复合材料壁板颤振特性的影响

为了分析不同温度分布对复合材料壁板的颤振临界速压和非线性极限环颤振幅值的影 响,将壁板面内的温度分布简化为线性分布情况和非线性二次曲面分布,建立了受 热复合材料壁板颤振的有限元模型,并分别在频域和时域内对受热复合材料壁板的临界颤振 速压和极限环颤振响应进行了求解。结果表明,温度分布的梯度效应使得壁板颤振临界速压 降低并使极限环颤振幅值增大;而非线性温度分布的曲率效应使得颤振临界速压升高。采用 面内 温度均匀分布的模型求解壁板的颤振边界,既有可能得到偏“保守”的解,也有可能得到偏 “危险”的解,而且当壁板温度分布的非线性效应较强时,不仅要考虑壁板温度分布的梯度 效应,还要考虑温度分布的曲率效应对壁板颤振特性的影响。
     

大长径比固体火箭发动机点火瞬态过程性能散布分析

采用均匀设计方法设计数值试验,研究大长径比固体火箭发动机点火瞬态过程性能散布特性,利用逐步回归法得到堵盖打开时间、推进剂初焰时间、点火压强峰值及时间4个性能参数与散布影响因素的回归关系式,分析了各项性能散布指标与其主要影响因素的关系。结果表明,堵盖打开时间散布取决于堵盖强度,推进剂初焰时刻散布由其着火临界温度控制,点火瞬态压强峰值时刻散布由推进剂密度和喷喉直径控制,点火压强峰值散布主要受推进剂密度、着火临界温度和喷喉直径的影响;并提出了降低散布的工程措施。     

“人字形小肋”对激波/边界层干扰的影响研究

在曼彻斯特大学跨声速风洞开展激波/边界层干扰及“人字形小肋”对其影响的实验研究。在马赫数1.85流场条件下，应用高速纹影、油流、皮托压力测量和基于压敏漆的壁面压力测量技术，研究“人字形小肋”流动控制方法对激波/边界层干扰的流动分离结构与尺寸、压力分布特性与波系特征等影响。结果显示激波/边界层干扰诱发流动分离，分离区呈现三维特征，在“人字形小肋”的作用下，分离线呈现“波浪”形且整体向上游移动，干扰区流向尺寸增大，分离区高度减小且长度略增大，再附区的压力极值降低，这些特征与叶片、尖楔等微涡发生器的影响趋势相反。下一步工作中，拟针对“人字形小肋”开展参数优化研究，“人字形小肋”可能成为降低激波/边界层干扰诱发的高热流载荷的有效方法。     

液体火箭发动机涡轮泵密封组件静力学特性

为了提高液体火箭发动机涡轮泵端面密封的气检合格率,开展了密封组件的静力学特性分析。采用有限元法建立了密封端面接触分析模型,针对石墨环装配过盈量、弹簧刚度偏差与气检压力3个方面进行了仿真计算,获得了端面变形量和密封压力分布的变化规律。计算结果表明:在0.13 mm过盈量下,石墨环上端面高度差为7.2μm;弹簧刚度偏差量变化引起的动静环端面压力分布最大差值约0.1 MPa;在气检过程中密封端面呈环形的压力分布。     

诱导轮空化对流固耦合应力分析的影响

采用ANSYS FLUENT软件仿真计算了某型号液体火箭发动机诱导轮在空化情况下的流场压力分布情况,之后将其流体压力分布引入ANSYS Workbench中,利用单向流固耦合技术进行了该诱导轮的有限元静应力分析,获取了空化及非空化情况下诱导轮的叶片应力分布,分析了空化对诱导轮应力分析结果的影响。     

低压下镁铝富燃料固体推进剂燃烧性能研究

通过调节氧化剂含量、粒度级配,或加入KP、用硼粉替换部分铗铝及改变催化剂含量,研究了镁铝富燃料固体推进剂燃速和压强指数的变化规律。研究结果表明,燃速随着AP、KP粒度的减小而增加;随AP含量的增加而增加;随催化剂含量的增加而增加;随KP含量的降低而增加。压强指数随AP粒度减小呈先升高后降低再升高的趋势;粒度不同的配方随AP含量增加,压强指数变化趋势不同;催化剂含量对压强指数的影响规律也同AP粒度有关;KP的粒度变化对压强指数几乎无影响。硼粉替换部分镁铝对燃速和压强指数的影响规律与氧化剂的粒度有关。     

Numerical validation and parametric investigation on the cold flow field of a typical cavity-based scramjet combustor

The three-dimensional coupled implicit Reynolds Averaged Navier–Stokes (RANS) equations and the two equation standard k–ε turbulence model has been employed to numerically simulate the cold flow field in a typical cavity-based scramjet combustor. The numerical results show reasonable agreement with the schlieren photograph and the pressure distribution available in the open literature. The pressure distribution after the first pressure rise is under-predicted. There are five shock waves existing in the cold flow field of the referenced combustor. The first and second pressure rises on the upper wall of the combustor are predicted accurately with the medium grid. The other three shock waves occur in the core flow of the combustor. The location of the pressure rise due to these three shock waves could not be predicted accurately due to the presence of recirculation zone downstream of the small step. Further, the effect of length-to-depth ratio of the cavity and the back pressure on the wave structure in the combustor has been investigated. The obtained results show that there is an optimal length-to-depth ratio for the cavity to restrict the movement of the shock wave train in the flow field of the scramjet combustor. The low velocity region in the cavity affects the downstream flow field for low back pressure. The intensity of the shock wave generated at the exit of the isolator depends on the back pressure at the exit of the combustor and this in turn affects the pressure distribution on the upper wall of the combustor.     

燃气发生器喷注器内氧腔三维流动分析

采用计算流体力学方法数值模拟了某型液体火箭发动机燃气发生器氧腔内部流动,详细分析了氧腔内部的三维流动特性。从压力分布等方面分析了造成喷嘴流量分布不均匀的原因,并据此对发生器结构进行了改进,结果表明喷嘴流量分配均匀性得到了明显改善。     

水下固体火箭发动机尾流场计算

采用了二维定常气流场模型和轴对称理想水流场模型,对水下工作固体火箭发动机尾流场进行了耦合数值求解。考虑了高温燃气与水介质之间传热、汽化等对内部气体流动的影响,数值模拟了尾流场中压强、温度在发动机尾流场中沿轴向、径向的分布规律和特征及参数变动对喷管性能的影响,所获得的流场压强、温度分布规律可为水下工作固体发动机设计提供依据。     

固体火箭发动机的概率设计

固体火箭发动机的性能参数和结构参数一般都服从正态分布，利用应力－强度干涉理论，通过正态分布密度函数的耦合方程进行发动机结构设计，并推导出具有随机变量指数的发动机工作压强和燃烧室壳体弹塑性爆破压的均值和标准偏差表达式，导出传统安全系数与可靠概率的关系。该设计方法较之传统的采用安全系数的设计方法合理。