再入飞行器端头沟槽问题分析

在分析对比再入飞行器端头再入环境和回收残骸烧蚀情况的基础上,通过地面低熔点模型的模拟试验以及对高熔点材料吉林陨石经过大气层后烧蚀现象的考察和分析,本文认为,控制再入飞行器端头防热层烧蚀现象的主要参数是端头边界层的雷诺数,端头防热层上出现的沟槽现象是边界层转捩区域中的一种烧蚀现象。从回收残骸结合再入轨道分析,可以推断再入时烧蚀转捩雷诺数;并且,对沟槽现象的深入研究将有助于进一步认识有烧蚀情况下边界层的转捩问题。     

基于湍流模型的转捩预测方法研究

阻力的精确计算,一直是低雷诺数飞行器设计的关键.而与附面层分离和转捩相关的摩擦阻力的精确计算则是此类飞行器阻力精确计算的关键.因此,开展了基于湍流模型的转捩预测方法的研究,应用几种湍流模型对平板边界层进行计算分析,研究各湍流模型预测流动转捩的能力.由于各模型对扰动的过于敏感,引起转捩提前发生,使预测与实验差距较大,由于k-ωSST两方程湍流模型预测能力优于其它模型,在此模型基础上引入了间隙函数进行粘性系数修正,对平板和NACA 0012翼型的转捩重新进行了预测,计算结果表明改进后的模型对转捩位置具有较好预测能力.     

基于改进的k-ω-γ转捩模式预测高超声速飞行器气动特性

为验证边界层转捩对高超声速飞行器气动特性的影响,采用改进的k-ω-γ转捩模式对类X-51A高超声速飞行器进行了全机边界层转捩预测.不仅系统分析了飞行攻角和雷诺数对边界层转捩的影响规律,同时研究了边界层转捩对飞行器气动力和进气道性能的影响.发现边界层转捩对飞行器升力系数和俯仰力矩系数影响较小,对阻力系数影响较大.针对本文算例,全层流计算较转捩计算预测的阻力系数偏低可达20％～30％.此外,边界层转捩可减小高超声速飞行器前体压缩面拐角处的分离,降低喉道截面马赫数、提高增压比.以上研究结果可为高超声速飞行器的控制系统和推进系统设计提供技术参考,显示了改进的k-ω-γ转捩模式具有较大的工程应用潜力.     

飞行试验热流辨识和边界层转捩滞后现象

对中国空气动力研究与发展中心马赫数为5左右的球锥模型在首次航天模型飞行试验中的温度测量数据进行了分析,通过辨识获得热流分布,发现飞行试验的测热数据后处理方法与地面风洞试验有很大差别,必须考虑温度变化历史,并考虑测温单元与周围飞行器壳体的三维传热才能得到正确的热流结果。采用工程计算方法对模型表面热流分布进行了计算,通过与飞行试验测量结果对比分析,发现测温点在发射上升段由湍流完全变为层流和在再入下降段由层流向湍流转捩具有不同的转捩准则数,边界层转捩存在滞后现象;根据地面风洞试验拟合出的转捩准则受到风洞噪声等因素的影响,预测的转捩位置比实际情况靠前;对于球钝锥外形,当x/R50时,流场和热流趋于锥形流结果。本次模型飞行试验还首次验证了气动热工程方法对于马赫数小于5情况的适应性。     

基于Gamma-Theta模型的固定转捩数值模拟研究

采用γ-~Reθt转捩模型,对NACA0012翼型的固定转捩进行数值模拟,计算了不同雷诺数下刚好激发转捩又不引起过大局部压力扰动和附加阻力的最低粗糙带高度,说明了γ-~Reθt模型模拟固定转捩的能力。通过计算低雷诺数下固定转捩来模拟高雷诺数下自然转捩,计算结果表明固定转捩可以较好地模拟自然转捩。这两种计算结果对风洞试验都有重要的指导意义。     

雷诺数变化对翼型边界层发展及失速特性的影响

翼型失速及其边界层发展是飞行器设计中的基础科学问题,而雷诺数变化对其影响很大。针对后缘失速翼型,采用Menter k-ω SST模型及耦合扰动放大因子输运方程的转捩模型,进行雷诺数变化对层流-湍流转捩边界层特性和失速特性的影响分析。结果表明:雷诺数增大时,对于转捩边界层,当地涡量雷诺数增大,转捩前移且分离泡减小,流动能量耗散减小,翼型整体表面剪切效应增强,动能更充沛,流动自持能力增强,压力分布可以维持较长距离的梯度抵抗分离能力增强;因此雷诺数增大使翼型失速迎角提高、升力系数增加。     

再入飞行器尾迹流场及其雷达散射效应研究

对再入飞行器等离子体尾迹及其雷达散射特性进行了分析、研究和大量的计算。讨论了物形、流场各因素对尾迹雷达散射截面的影响。流场计算使用准一维粘性尾迹方程，以修正基尔方法（多值法）求解，用一阶Ｂｏｒｎ近似完成亚密雷达散射截面（ＲＣＳ）计算。计算中使用８组元混合空气、１４个非平衡化学反应模型，考虑５种不同尺度的小钝头锥形物体，沿再入轨道取６５至３４公里，共１３个高程的飞行条件。通过计算得到了再入体尾迹各流场参数、电子密度分布及湍流亚密尾迹的ＲＣＳ。结果说明再入钝锥细长体粘性尾迹的转捩特性对于等离子体的散射性质具有决定性的作用；再入弹头尾迹等离子体对地面单站雷达发射波的回波主要来源于尾迹湍流亚密的非相干散射；对确定的波长，当环境雷诺数达到临界值之后，可能出现ＲＣＳ的突增现象；不同物形及来流条件造成尾迹转捩位置的改变，从而影响ＲＣＳ的数值及其沿轨道的分布；改变尾迹颈部初值会引起ＲＣＳ值的明显变化。     

高超声速边界层转捩机理及应用的若干进展回顾

高超声速边界层转捩对飞行器的热传递、表面摩阻和流动分离等有重要影响,尤其是再入飞行器和吸气式巡航飞行器。然而,人们对边界层转捩机理中的很多问题认识还不清楚,或存在争议。本文从扰动波演化的角度回顾了高超声速边界层感受性、线性稳定性和非线性作用的国内若干研究进展,并以基于谐波共振的人工转捩技术为例示范了这些机理认识在转捩控制上的应用。扰动的产生和发展是认识边界层转捩机理的核心。通过研究扰动波来认识边界层转捩机理,开展应用创新研究对提升飞行器性能具有重要意义。     

从总体设计角度透视高超声速飞行器边界层转捩问题

边界层转捩对飞行器总体性能影响很大,按照弹道式再入、再入机动、高超声速滑翔、高超声速巡航四类飞行器进行分类,与边界层转捩相关的典型问题可归结为气动力、气动热及掺混效率三类,相应带来飞行稳定性与配平能力、落点散布、防热风险、飞行器减重、推进系统优化等问题.针对边界层转捩控制问题,从总体设计方面可采取弹道设计、翼载荷控制、外形设计、材料选择等措施,推迟或诱发转捩,以达到减阻、减热、掺混等设计目标.总体设计单位应重视开展静音风洞试验,充分利用飞行任务资源积累转捩研究基础数据,努力提高理论分析与预示能力,牵引开发高效、高精度的转捩分析工具.     

基于γ-Re_(θt)转捩模型的低雷诺数翼型数值分析

通过综合运用Michel转捩判据和γ-Re_(θt)转捩模型的方法实现对低雷诺数翼型的气动分析。首先通过Michel转捩判据和层流分离位置分别估算转捩动量厚度雷诺数,然后分别用Langtry和Tomac提出的经验关系式计算转捩动量厚度雷诺数和转捩区长度,通过UDF(User-Defined Functions)将不同组的3个经验关联值写入Fluent软件对E387翼型(雷诺数为3×10~5)进行数值分析,并与试验值进行了对比。结果表明:基于Michel转捩判据比基于层流分离更能准确预测转捩位置,基于层流分离预测的转捩位置过于靠前,但是2种方法的气动力计算结果与试验值都比较吻合,Langtry和Tomac的经验关系式计算结果之间差别不大,Tomac方法能够计算出分离泡,且与Selig油流试验吻合较好。     

Hypersonic laminar–turbulent transition on circular cones and scramjet forebodies

Laminar–turbulent transition in hypersonic boundary layers has a dramatic effect on heat transfer, skin friction, and separation. This effect is critical to reentry vehicles and airbreathing cruise vehicles, yet the physics of the transition process is not yet well enough understood to be used for predictive purposes. The literature for transition on circular cones and scramjet forebodies is reviewed, from an experimental point of view. Ground experiments, emphasized here, nearly always suffer from ambiguity caused by operating in the presence of high levels of facility noise. Measurements of the instabilities leading to transition reduce much of this ambiguity, and thus these instability measurements are emphasized. A number of transition measurements have also provided good control of extraneous effects, and several of these measurements are compared in detail.Small bluntness always delays transition on smooth cones at zero angle of attack (AOA), while large bluntness creates a change in mechanism that again moves transition forwards. For smooth cones at AOA with small or negligible bluntness, transition is always leeside-forward and windside-aft, although the movement with AOA is tunnel and geometry dependent. For cones with large bluntness, transition becomes windside forward and leeside aft. In both cases, nosetip roughness may be involved in the trend reversal. Reliable prediction of the trend reversal conditions is one of many topics requiring additional research. The limited existing database for transition on scramjet-vehicle forebodies is also reviewed, along with the literature for transition in the compression corners that are often a part of such forebody designs.     

低雷诺数分布式螺旋桨滑流气动影响

以高空长航时（HALE）太阳能无人机（UAVs）研究为背景,采用基于混合网格技术及k-k_L-ω转捩模型求解雷诺平均Navier-Stokes（RANS）方程的多重参考系（MRF）方法,对3种螺旋桨-机翼构型的低雷诺数气动特性进行了高精度准定常数值模拟,在等拉力前提条件下,通过对比机翼气动力系数及表面流场结构特征分析了分布式螺旋桨（DEP）滑流对FX63-137机翼的气动影响。研究表明：螺旋桨滑流影响使得桨后总压及流速显著增大,这是机翼升力增大的主要原因,但同时机翼阻力特性急剧恶化,升阻比反而降低;螺旋桨滑流向机翼边界层内注入丰富湍动能从而抑制流动分离,扩大机翼表面湍流范围及附着流动区域;分布式螺旋桨滑流与低雷诺数机翼表面复杂流动相互作用显著,主要表现为滑流区域边界展向涡结构的产生。     

小展弦比飞翼布局飞机横向涡流控制气动机理

为增加小展弦比飞翼布局飞机横向控制效能,设计了可提供飞机滚转力矩的涡流控制方案,在此基础上研究了三角翼前缘非对称垂直喷流对前缘涡破裂位置和结构的影响。应用三维任意坐标系下的雷诺平均N-S方程数值模拟方法和Spalart-Allmaras方程湍流模型,对小展弦比飞翼布局飞机前缘非对称喷流及无喷流情况下的绕流进行了研究分析。结果表明：与无喷流情况相比,喷流速度、喷口压力、飞行迎角的不同造成了涡破裂点的改变以及涡的强度和涡轴位置的变化,这些因素最终引起流场变化,并产生不对称力和力矩;喷流产生的直接力和力矩与飞行状态无太大关系;垂直喷流在进行横向控制同时产生较小的偏航力矩,对阻力的影响也较小。     

高超声速锥柱裙模型边界层转捩的弹道靶实验

为研究高超声速边界层转捩现象、给边界层计算提供可靠的对比数据,在中国空气动力研究与发展中心趟高速弹道靶上开展了锥柱裙模型高超声速边界层转捩的自由飞实验。所采用的锥柱裙模型全长105mm,飞行速度1．94km／s（Ma=5．65）,单位雷诺数4．32×10^7～1．20×10^8m-1。使用激光阴影成像技术,获得了锥柱裙模型边界层转捩和湍流边界层发展的图像,测得的湍流边界层厚度在0．6～2．2mm之间,湍流涡的流向尺寸与边界层厚度的比值介于0．3～0．8之间且沿流向呈下降趋势。实验结果表明：弹道靶实验能够获得给定飞行环境下的高超声速边界层转捩图像,从图像中可以清晰判断转捩位置或区域、测量边界层厚度和分析湍流涡的尺寸。     

高超声速飞行器流动特征分析

在非流线型构件或突起物的扰动效应、高马赫数和低雷诺数极限效应、低湍流度环境效应和由激波或摩擦导致的气动加热效应等4个方面的影响下,未来高超声速飞行器涉及的流动主要表现出这样的特点:典型流动结构强度高、尺度大,如强激波和厚边界层;局部流动结构数量多;激波、膨胀波和边界层结构之间相互干扰十分严重;转捩、压力脉动和一些流动结构对细微因素非常敏感;压力、摩擦应力和热流峰值现象普遍;升阻比屏障难以突破;流场同时依赖大量无量纲参数和有量纲参数,导致实验模拟难度大。本文在回顾传统高超声速流动主要流动现象的基础上,对上述7个方面涉及的典型流动现象的基础研究现状、问题本质和因果关系进行综合描述,讨论如何更有效地面对基础研究和工程实际问题。该文既可为解决典型流动现象中尚未解决的基础研究提供帮助,也可为如何合理地利用有限的已知知识解决工程应用问题提供指导。     

翼型低雷诺数层流分离现象随雷诺数的演化特征

层流分离现象是翼型低雷诺数条件下出现的典型流场特征。层流分离流动中包含流动分离、转捩、再附等非定常流动结构，层流分离流动的形成与演化会对翼型气动特性产生恶化作用。采用大涡模拟（LES）方法对低雷诺数范围内不同雷诺数下的翼型层流分离流动开展精细数值模拟，研究了雷诺数对翼型气动特性的影响规律及作用机理。LES方法采用隐式亚格子模型，基于结构化拼接网格，对流项离散和时间推进方法分别采用AUSM⁺格式以及双时间步方法。验证算例计算结果表明数值模拟方法的正确性及可靠性，雷诺数对翼型气动特性具有显著影响。随雷诺数降低，时均分离泡外形增大、位置后移，平均阻力系数增大，特别是在较低雷诺数下，翼型升阻力系数随时间出现振荡现象。进一步研究表明，造成不同时均分离泡形态和气动特性的原因在于翼型上表面分离剪切层的失稳与转捩特征。随雷诺数降低，流动黏性增大，导致分离剪切层速度梯度减小，流动发生转捩及再附位置后移，直至翼型表面不再发生转捩和再附。     

跨流域高超声速绕流Boltzmann模型方程并行算法

通过对Boltzmann方程碰撞积分进行模型化处理,提出了统一描述各流域复杂高超声速流动输运现象的气体分子速度分布函数控制方程,使用离散速度坐标法对分布函数方程所依赖的速度空间离散降维,构造出直接求解分子速度分布函数的气体动理论耦合迭代数值格式,研制了复杂飞行器高超声速绕流气动热力学计算模型。基于对气体动理论数值计算方法内在并行性、变量依赖关系、数据通信与并行可扩展性的分析研究,使用区域分解并行化方法提出了新型的气体动理论数值算法并行方案;研究了数据的并行分布与并行执行特征,开展了大规模的并行化程序设计,构造了可稳定运行于成千上万CPU的高性能并行算法,用以模拟各流域复杂飞行器的高超声速绕流问题。以稀薄流到连续流环境下不同Knudsen数、不同马赫数的可重复使用类球锥卫星体及翼身组合复杂飞行器等气动力、热绕流问题为研究对象展开大规模并行计算,并进行算法验证,所得计算结果与理论分析、直接模拟蒙特卡罗方法(DSMC)的模拟值及有关实验数据吻合较好,揭示了飞行器跨流域高超声速下的复杂流动机理与变化规律,提供了一条能够可靠模拟高超声速飞行器跨流域气动力及热问题的统一的算法应用研究途径。     

对Klebanoff型转捩点实验测定方法的初步研究

近年来对边界层转捩的实验研究取得了许多进展,并已验证了最初的二维Tollmien Schlichting（T-S）波可以由不同的途径引起转捩。各种途径的区别在于叠加在二维T-S波上的三维扰动沿展向的不同分布。所谓Klebanoff型转捩是最常见到的一种型     

低雷诺数下机翼气动特性研究及控制

高空长航时无人飞行器(HALE UAV)由于飞行环境空气稀薄、雷诺数低导致其气动性能恶化,如何通过流动控制改善机翼低雷诺数气动性能受到越来越多的关注。在低速风洞中通过测力、测压和边界层测试等试验技术开展了NACA 633-421直机翼模型气动特性试验和流动控制研究。天平测力结果表明:随雷诺数降低(Re<1.4×10⁵)机翼气动特性迅速恶化;最大升力系数损失严重,失速迎角急剧降低;分析翼面压力分布结果显示,机翼表面产生层流分离泡(LSB),其长度变化、位置前移和最终发生破裂的发展过程是导致机翼低雷诺数气动性能恶化的主要原因。采用合成微射流(Micro-SJ)对翼面层流分离泡进行流动控制,失速迎角推迟了11°,机翼最大升力系数由0.59提升至1.10,最大升阻比增加了13.6%。合成微射流控制具有选频特性,驱动频率f=200~400 Hz的合成微射流控制效果最佳,更易促进分离剪切层提前转捩,形成湍流再附,使得层流分离泡长度缩短。