钝头飞行器高超声速侧向喷流干扰流场特性研究

采用数值模拟方法求解N-S方程,对高超声速钝头飞行器绕流与侧向喷流干扰流场中的流动分离和旋涡特性,及其对喷流干扰区压力分布的影响进行了研究。在中小攻角时喷口前存在干扰引起的主分离涡和二次分离涡,喷口前拐角处还存在另一个调和主分离和喷流的第三个马蹄涡,大攻角时这三个马蹄涡消失,干扰规律与中小攻角不同;表面流谱中小攻角时为典型的双分离线和双再附线结构,主分离和二次分离为典型的闭形分离,大攻角时主分离非常靠前,且为鞍、节点结合的开式分离结构,干扰区内的分离为横向分离流动;不同的干扰流场结构导致中小攻角时主分离激波和喷流弓形激波在压力分布产生两个峰值,主分离马蹄涡和喷口前拐角处马蹄涡则产生两个波谷,随攻角增大分离区扩大,波峰和波谷都前移,峰值下降,大攻角时喷口前马蹄涡消失,压力波谷也消失,实验压力分布也从某种程度上验证了大攻角干扰流场特性与中小攻角差别的合理性。研究表明,在不同的攻角状态下高超声速钝头飞行器绕流与侧向喷流干扰流场分离和旋涡特性有很大的差别,引起喷流干扰区压力分布的明显不同,必然导致对喷流控制效率的严重影响。     

楔面转折角对高超声速进气道不起动/再起动特性的影响(英文)

不起动/再起动是高超声速进气道重要的流动现象,其影响进气道的工作范围和再起动能力.针对这一问题,对一系列不同楔面转折角的混压式进气道进行了二维流场数值模拟,从流体运动稳定性的角度分析了高超声速再起动过程的流动特征,给出了以流量系数表征的不起动/再起动特性.分析了楔面转折角变化对高超声速进气道不起动/再起动特性的影响,得到了来流起动马赫数、再起动马赫数和滞环宽度随楔面转折角的变化规律.     

高速气流场燃油雾化液滴分布数值研究

针对亚燃冲压发动机燃烧室内部流动特点,结合二元稳定器试验台高速气流场燃油雾化特性试验,建立试验件三维模型并对其喷雾两相流动进行数值模拟。主要研究了来流马赫数以及喷嘴条件变化时燃油雾化液滴与油气比的分布。分析认为,来流马赫数的增加使得雾化特征角缩小,可同时改善燃油蒸发并获得更加均匀的油气比分布。随着供油压力的提高,离心式与直流式喷嘴雾化特征角均增大,但供油压力不是影响直流喷嘴雾化锥角的主要因素。计算结果与试验结果对比定性符合良好,定量误差范围可以接受,验证了计算模型与计算方法的正确性,所得到的结果可应用于工程设计。     

不同攻角下高超声速二元进气道性能研究

针对高超声速二维混压进气道,以最大总压恢复系数为目标,基于多楔面内收缩段设计原理,利用多楔角方法设计内收缩段长度和出口高度等。通过比较不同攻角下二元进气道总压恢复系数、流场及启动情况等多方面特性,验证了改变攻角对进气道启动特性改善的效果。     

分离螺母的关键设计参数分析

分离螺母是一种火工连接分离装置，用于卫星和火箭的分离机构。本文介绍了分离螺母的作用原理，对燃气压力，支撑角，螺纹角和载荷的关系进行了分析，在螺栓载荷和设计约束条件一定的情况下，改变分离的支撑角可引起轴向和径向载荷的变化，从而影响分离螺母的分离能力，为保证分离螺母正常工作并有合适的裕度，应合理设计支撑的大小。     

“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。     

环境压力对气液针栓式喷嘴雾化特性的影响

气液针栓式喷嘴在变推力液体火箭中有重要应用。采取实验与数值计算结合的方法系统研究了不同环境压力下的针栓式喷嘴的液膜破碎过程、喷雾锥角、回流区分布、压力和液滴粒径分布等雾化特性,揭示了环境压力影响液膜破碎的3个因素:气流冲击、环境气体密度和环境压力对液膜挤压作用。结果表明:喷雾锥角会随环境压力增加而增大,但该趋势会随压力的增加而逐渐放缓。喷雾整体形态呈现锥形,喷雾中心区域存在低压回流区,回流区的液滴数目较少,但液滴粒径比较均匀。液滴主要分布在气液作用面,下游的液滴粒径较大,外部的液滴粒径比内部的大。液体火箭在启动的瞬间,燃烧室压力变化剧烈,可能导致喷雾锥角发生大幅变化,引起推进剂空间分布不均匀,对燃烧性能产生影响,因此要避免或减小较差雾化效果的燃烧室设计压力区间。     

跨音速细长体三维分离的数值研究

本文数值模拟了半球柱在跨音速、中等攻角时的粘性层流绕流，研究了流场中的复杂三维分离形态结构，其中包含流向与横向的主分离、二次分离、以及激波边界层的相互干扰，解释了在球柱接合部精确捕获的压力波动与流动主分离、二次分离的影响关系，这个现象是前人的计算［５，６］未捕捉到的。     

火星进入器作强迫震荡运动壁面脉动压力数值模拟

为研究超声速阶段进入器作强迫震荡运动对壁面脉动压力环境的影响规律，本文耦合进入器刚体运动方程与流体力学方程，采用动网格技术，对火星进入器模型开展非定常数值模拟，获取壁面不同位置处的脉动压力信息。研究表明：在超声速阶段，进入器作强迫震荡运动诱导的脉动压力远大于进入器保持相对静止时仅由非定常流动诱导的脉动压力。来流马赫数为1.2时，进入器作强迫震荡运动对脱体激波影响较小，脱体激波强度较弱且形态变化较小，攻角的震荡导致同一测点距离脱体激波的位置发生周期性改变，舱体迎风面及配平翼迎风面的脉动压力环境主要受攻角变化的影响；来流马赫数为3时，进入器作强迫震荡运动对脱体激波的影响较大，脱体激波震荡剧烈，诱导舱体迎风面及配平翼迎风面产生极其恶劣的脉动压力环境，功率谱分析表明激波震荡诱导的脉动压力能量主要集中在30 Hz左右。     

大钝体三维粘性流场数值模拟

本文用有限差分法数值求解薄层Ｎ－Ｓ方程，模拟了高超声速绕大钝头倒锥体的三维粘性流场。来流Ｍ∞＝７．０，Ｒｅ∞４．５×１０５，差分格式为二阶迎风ＴＶＤ格式。给出了包括复杂三维分离流动现象在内的流场结构，及其整体物面压力分布。研究了攻角对流场的影响，发现在一定攻角以后，流场结构发生很大的变化。     

高超音速化学非平衡层流粘性激波层钝头细长体绕流数值计算

本文研究了高超音速化学非平衡钝头细长体绕流的计算方法,给出了耦合求解连续方程和法向动量方程的具体做法,以及在高空情况下考虑滑移边界条件后的数学处理。计算结果表明,对钝头细长体,可以将计算推进到三十倍头部半径的后身区域。     

垂直上升管内气液两相泡状流的存在条件

文章对垂直上升管内气液两相泡状流的存在条件进行了研究。对重力自循环的流动机理进行了理论分析,指出了泡状流的流型转变机理,并分别从Hewitt-Roberts流型图、Taitel泡状流与弹状流的判别式、泡状流存在的最小管径Barnea模型3个不同角度分析并验证了某空间模拟器的液氮制冷系统结构的合理性。     

滑阀稳态液动力的计算和分析

以液氧/煤油补燃循环火箭发动机中流量调节器中滑阀为例,介绍了滑阀稳态液动力的一种计算方法,分析了不同结构参数下稳态液动力的变化规律,得出了滑阀的稳态液动力与滑阀位移、液流出口处的流道形状以及刃边厚度关系的一些初步结论。     

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。     

超声速升力面线化非定常气动载荷计算

本文采用等压面元法计算了超声速升力面线化非定常气动载荷。算例给出了矩形翼、后掠翼、箭形翼以及前后翼的计算结果，与其他理论结果以及实验数据符合良好。方法具有使用方便，外形适应性强，适合于小攻角、减缩频率不高的情形。     

小流量气体流量的测量方法及应用

介绍了小流量气体流量测量装置的原理和应用背景,建立了小流量气体测量系统。采用两种实验方法,即质量流量计串连孔板测量法和孔板配合差压测量法,进行了测量,得到小流量拟合公式。比较了不同实验方法的精度和特点。结果表明,第二种方法重复性好,测量精度高。     

超声速横向气流中喷雾的数值模拟

对超声速横向气流中的喷雾过程进行了数值模拟,采用二维N-S方程计算气相,应用一次雾化模型和二次雾化模型模拟了喷雾雾化过程,并与实验测量结果进行了对比。研究了湍流度和附面层厚度对液雾穿透深度的影响,发现湍流度和附面层厚度并不是主要的影响因素,认为雾化模型是影响液雾穿透深度的关键因素。     

超高速部分流式切线泵的设计试验研究

提出超高速部分流式切线泵的结构设计和理论计算方法,探讨切线泵的流量系数与喉部面积的关系。最后,通过应用实例总结相关的技术问题。     

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。     

金属/水反应冲压发动机三维内流场数值模拟

采用颗粒轨道模型进行了燃气发生器式金属/水反应冲压发动机补燃室两相流的数值模拟,建立了水冲压发动机补燃室反应流模型,并对某发动机进行了模拟,研究了一次进水时不同喷注位置和喷孔个数对铝颗粒燃烧效率和发动机性能的影响规律,得出了反应物和产物组分、温度等发动机参数的变化趋势。结果表明,存在使发动机性能达到较优的进水位置,一次进水以2孔对称分布为宜。模拟结果可为发动机设计提供参考。