平衡气体对乘波体气动力热特性影响

针对乘波体在高空以高马赫数飞行时的特点,给出了一种考虑高温平衡气体效应的乘波体设计方法,并通过数值模拟的方法研究了高空高马赫数飞行条件下高温平衡气体对乘波体气动特性的影响。研究结果表明,相对于完全气体,平衡气体对乘波体的气动力特性影响不大,但对乘波体的前缘驻点区和下表面的热流及辐射平衡温度有较大的影响。另外在乘波体较为适宜的飞行攻角范围内,攻角的增大不会显著改变平衡气体效应对乘波体气动力特性的影响,也不会显著改变平衡气体效应对乘波体前缘驻点区的热流与辐射平衡温度的影响,但却会在一定程度上减小平衡气体效应对乘波体下表面的气动热及辐射平衡温度的影响区域。     

锥导乘波体构型的气动特性不确定度分析

为研究锥导乘波体偏离设计条件下气动特性变化情况,采用稀疏的非嵌入式混沌多项式方法,对乘波体气动特性进行了不确定性量化及全局非线性灵敏度分析。首先,采用CATIA二次开发技术对锥导乘波体进行参数化建模;其次,在来流速度、温度、密度和迎角满足特定扰动的条件下,通过拉丁超立方试验设计生成样本,并采用CFD进行计算;最后,根据试验设计样本建立响应面,通过混沌多项式分析得到了乘波体气动力系数的不确定度。灵敏度分析结果表明,迎角在锥导乘波体的气动特性变化中起主导作用。对马赫数和压强的流场不确定性分析结果表明,气动特性变化主因是乘波体前缘处的压力泄漏,影响了上表面压力分布,导致了气动性能的改变。     

火星探测器气动热环境和气动力特性的数值模拟研究

针对探测器进入火星大气过程中的高温气体非平衡效应及其气动热环境和气动力特性的精确预测问题,考虑火星大气高温混合气体的化学反应、束缚电子能激发效应、分子振动能激发效应和非平衡效应,以及不同表面催化特性和表面温度条件的影响,建立了数值模拟热化学非平衡流场的计算方法,并通过与平头圆柱试验模型和MESUR火星探测器的试验与计算数据对比分析,验证了计算方法的可行性与有效性,然后对典型火星探测器的气动热环境和气动力特性进行了数值模拟分析。研究结果表明:1)对于本文的计算状态情况,火星探测器流场中化学非平衡效应非常严重,存在一定的热力学非平衡效应;2)热力学模型、化学反应模型和表面催化特性对气动热计算有着重要影响;3)气体模型对气动力特性的预测影响较大,表面温度条件和表面催化特性对气动力系数的计算影响较小。     

乘波体特性研究现状及展望

乘波体特性研究是开展乘波飞行器设计的基础。本文对乘波体相关特性的研究现状进行了分析，重点总结了乘波体几何特性、气动特性、气动热特性等静态特性和横航向稳定性、纵向稳定性以及弹性效应对稳定性的影响等动态特性的研究进展；在此基础上，对乘波体特性研究中还存在的困难和问题进行了分析，并对未来进一步的研究重点进行了展望。研究表明，乘波体的几何特性决定了其适用于高超声速飞行器的前体设计；乘波飞行器适用于在设计点和小迎角工况下飞行，宽速域、大空域范围内气动性能还难以满足实际使用需求；在进行高超声速乘波飞行器气动外形设计时，应综合考虑气动力和气动热之间的平衡折中，采用合适的气动热解决方法来满足工程应用的需要；乘波体需具有上反角和“下凸”的外形特征，以满足稳定性要求。可为乘波飞行器的研究发展提供参考。     

考虑弹性效应的乘波体纵向动力学特性研究

为满足长航程及高速飞行需求,乘波体外形越来越趋于扁平化、细长化,导致其在气动载荷作用下会出现显著的气动弹性效应。通过计算流体力学/计算结构力学/刚体动力学(CFD/CSD/RBD)耦合方法求解流动控制方程和飞行动力学方程,系统研究了不同结构刚度和来流条件下弹性效应对乘波体配平特性和动力学稳定性的影响。研究结果表明:随着结构刚度降低,乘波体配平迎角增大,配平升阻比下降,其主因是弹性变形导致气动中心前移,静稳定性降低;来流马赫数和结构变形对乘波体静稳定性的作用效果相反,且后者的减弱效果占主导作用;整体而言,刚弹耦合效应使乘波体俯仰动稳定性下降,且不同刚度下俯仰动导数随来流马赫数的变化趋势也不相同。     

真实气体效应对双楔绕流流动特性的影响

为研究高马赫数下真实气体效应对双楔绕流流动特性的影响，采用量热完全气体模型和化学非平衡气体模型两种气体模型对层流流态、转捩流态、全湍流流态的双楔绕流流场进行了数值模拟，其中转捩流态计算采用基于间歇因子的γ-Re_θt转捩模型，全湍流计算中采用k-ωSST湍流模型。结果表明：双楔拐角附近发生流动分离，与量热完全气体模型相比，相同流态下，化学非平衡气体模型计算得到的分离区尺寸更小。在边界层转捩位置的分析中发现，双楔拐角附近的分离区对边界层转捩有重要影响，分离激波产生的位置与边界层开始转捩的位置高度吻合，与量热完全气体模型相比，化学非平衡气体模型时的边界层转捩起始位置更靠后。针对真实气体效应下单位雷诺数、拐角角度对边界层转捩的影响规律研究发现，真实气体效应在一定程度上抑制了分离区内的转捩流动，随着单位雷诺数减小、拐角角度增大，真实气体效应对边界层转捩的影响随之增大。     

乘波体构型气动性能与实用性研究

为了进一步研究乘波体的气动性能和实用性,探究其在飞行器设计中的应用价值,针对影响乘波体气动性能的外形几何参数、非设计状态、前缘钝化半径等参数进行了数值计算和分析,并对乘波体外形进行了优化改进。研究结果表明:乘波体的前缘曲线决定了其外形参数和气动性能,而前缘曲线受自由流面影响;非设计状态下,乘波体依然具有较理想的升阻比;前缘钝化处理使得乘波体下表面高压气流上泄到上表面,降低了乘波体的升阻比;外形优化使乘波体的实用性得到显著提高,并保持较高的升阻比;乘波体构型具有应用于高超声速飞行器前体外形设计的优势和潜力。     

局部催化特性差异对气动热环境影响的计算分析

高温气体非平衡效应及其壁面催化效应对高超声速飞行器气动热环境造成显著影响,是当前高超声速飞行器气动热环境预测和热防护设计的关键问题之一。考虑高温空气离解与电离等化学反应、气体分子热力学激发、流动中的非平衡效应和壁面催化效应,通过数值求解三维热化学非平衡Navier-Stokes方程和壁面处质量、能量平衡关系,完善了高温气体热化学非平衡流场有限催化气动热环境数值计算方法和计算程序,采用典型算例进行了考核验证。在此基础上,开展了不同条件下高超声速飞行器热化学非平衡流场气动热环境数值模拟,分析局部催化特性差异对气动热环境的影响。研究表明：所建立的高超声速飞行器热化学非平衡流场有限催化气动热环境数值计算方法及程序,其数值模拟结果与飞行试验、文献符合;局部催化特性差异会导致热流跳变,其热流跳变量与催化特性差异量、材料分布方式等有关;催化特性差异较大时,局部区域热流可能远远高于飞行器全表面完全催化的热流结果,此时将飞行器在全表面完全催化（FCW）和完全非催化（NCW）条件下的数值模拟结果作为实际飞行过程中表面热流的上、下限这一简化处理方式,是不可取的。     

考虑弹性效应的乘波体纵向动力学特性研究

为满足长航程及高速飞行需求，乘波体外形越来越趋于扁平化、细长化，导致其在气动载荷作用下会出现显著的气动弹性效应。通过计算流体力学/计算结构力学/刚体动力学（CFD/CSD/RBD）耦合方法求解流动控制方程和飞行动力学方程，系统研究了不同结构刚度和来流条件下弹性效应对乘波体配平特性和动力学稳定性的影响。研究结果表明：随着结构刚度降低，乘波体配平迎角增大，配平升阻比下降，其主因是弹性变形导致气动中心前移，静稳定性降低；来流马赫数和结构变形对乘波体静稳定性的作用效果相反，且后者的减弱效果占主导作用；整体而言，刚弹耦合效应使乘波体俯仰动稳定性下降，且不同刚度下俯仰动导数随来流马赫数的变化趋势也不相同。     

真实气体效应下高马赫数内转进气道特性研究

为初步研究高马赫数内转进气道在真实气体效应下的工作特性,首先设计额定工作状态Ma=12的高超声速内转进气道,再结合不同气体模型对其进行数值模拟。研究结果表明:化学非平衡气体在流场结构、工作性能和气动加热方面与热完全气体较为相近,与热化学非平衡气体存在一定差别。离解反应发生在边界层内和低速涡流区内,热化学非平衡气体的离解反应程度比化学非平衡气体大。在隔离段内激波反射处,相比完全气体,化学反应气体的静温降低了2000～2500K。高热流区在上壁面喉道位置与下壁面激波反射点位置附近,温度较高的等温壁面、热化学非平衡气体均可降低壁面热流密度,不同壁面条件对隔离段出口性能参数影响较为明显。真实气体效应、壁面温度对隔离段涡流区的影响较为复杂,有待进一步研究。     

High-temperature gas effects on aerodynamic characteristics of waverider

This paper focuses on the analysis of high-temperature effect on a conical waverider and it is a typical configuration of near space vehicles. Two different gas models are used in the numerical simulations, namely the thermochemical non-equilibrium and perfect gas models. The non-equilibrium flow simulations are conducted with the usage of the parallel non-equilibrium program developed by the authors while the perfect gas flow simulations are carried out with the commercial software Fluent. The non-equilibrium code is validated with experimental results and grid sensitivity analysis is performed as well. Then, numerical simulations of the flow around the conical waverider with the two gas models are conducted. In the results, differences in the flow structures as well as aerodynamic performances of the conical waverider are compared. It is found that the thermochemical non-equilibrium effect is significant mainly near the windward boundary layer at the tail of the waverider, and the non-equilibrium influence makes the pressure center move forward to about 0.57% of the whole craft’s length at the altitude of 60 km.     

前后缘型线同时可控的乘波体设计

提出了一种前后缘型线同时可控的乘波体设计方法,在马赫数可控的外锥形曲面基准流场中,结合流线追踪技术和混合函数,实现了椭圆前缘转椭圆后缘的乘波体设计,并在设计点(Ma=6.0)和接力点(Ma=4.0)对其进行数值仿真研究。前后缘同时可控的乘波体在型面剧烈过渡处产生了较弱的激波,出口两侧存在高温高压区,后部对称面附近的激波形状由圆弧变为平直线且出口处流场基本均匀,非常有利于与进气道匹配设计。另外,该乘波体具有较高的容积率和预压缩效率,附面层修正后的容积率为0.24,设计点时乘波特性较好,接力点时前部完全乘波,具有较高的升阻比,有黏条件下设计点和接力点的升阻比分别为2.54和2.41。此外,与给定前缘的乘波体相比,其升力、阻力、俯仰力矩和出口增压比都有明显增加,但是升阻比和出口总压恢复系数有所降低,在设计点无黏升阻比由3.56降为3.00。以上研究表明,本文的设计方法可行且更加灵活,拓宽了乘波体的选择范围。     

涡波效应宽速域气动外形设计

拓展了密切锥乘波体设计方法的应用,推导了设计方法中激波出口型线、流线追踪起始线与平面形状轮廓线之间的几何关系,建立了定平面乘波体设计方法。通过定制乘波体的平面形状引入涡效应,提出涡波效应宽速域气动布局的概念,即在高超声速状态下使用激波效应、在低速状态下使用漩涡效应提升布局的总体性能。以双后掠布局为例,使用CFD方法评估其高速和低速状态的气动性能,与带锥体的平板进行对比,分析了升阻比、升力系数以及流场特性,初步给出了非线性增升效果。计算结果表明：当前定平面乘波体布局在低速状态和高超声速状态均具有较好的气动性能,弥补了传统乘波体的性能缺陷,为宽速域气动布局的设计提供了新的思路。     

低频压力振荡环境下静止液滴蒸发过程的准稳态模型

为了获得燃料液滴对压力变化得到响应特性,从微观上对压力振荡环境下的液滴蒸发过程进行了分析。结果表明压力振荡会导致流场内部力的不平衡,从而会使液滴周围边界层内气体产生周期性流动,以及液滴周围边界层内蒸气质量分数的振荡,最终会使液滴蒸发速率的产生与压力振荡周期相同的振荡。在此基础上,根据流动边界层理论,提出了饱和蒸气边界层的概念,建立了压力振荡环境下静止液滴蒸发的准稳态模型并进行了数值求解,获得了静止液滴蒸发速率对压力振荡的响应特性。     

双锥Bump压缩面设计及气动特性

采用反设计方法研究双锥Bump压缩面设计技术,该方法实质是融合运动间断边界在运动网格条件下对轴对称欧拉方程组求解.为避免激波捕获法对激波型面位置求解误差,应用计算域分块的方法预估第2道激波,在此基础上采用流线追踪法生成Bump压缩面;结合平面机身设计一双锥Bump实例,运用计算流体力学仿真手段对其进行黏性数值模拟.研究结果表明:①该模型流场结构仍保持较强的附面层扫掠能力;②在来流马赫数为2.0条件下,相比传统的正圆锥乘波体Bump压缩面设计,新型设计方法可使Bump外压缩系统总压恢复系数提高0.04左右,为Bump进气道性能提高奠定基础.      

轴对称近似等熵压缩流场的乘波前体优化设计

以升阻比为优化目标，在来流马赫数Ma=2—4及飞行高度H=20km-24km条件下，进行了轴对称近似等熵压缩流场的乘波前体优化设计，通过CFD验证Ma=4优化乘波体的气动特性，并研究了Ma=3优化乘波前体在非设计条件下的气动特性。结果表明：近似等熵压缩下表面的乘波前体在设计条件下具有良好的气流压缩效果，可满足机体／发动机一体化设计的需要；乘波前体升阻比在1．5—1．9之间，纵向压心位置靠后；非设计条件下，压缩波不聚焦，小于设计马赫数升阻比时降低，大于设计马赫数时升阻比略大。     

凸包(Bump)进气道/DSI模型设计及气动特性研究

利用基于乘波理论的Bum p进气道设计软件,据锥型流精确流线法设计了一腹部进气布局的Bum p进气道。用CFD模拟手段,从对称面马赫数分布、凸包上的极限流线及横截面上压强系数分布等方面分析了进气道进口段流场特征,证明所设计的Bum p进气道流动特征符合预期设计目标。通过CFD计算和试验对比,分析了所设计的Bum p进气道超声速气动性能,表明在发动机设计状态,在来流马赫数M a∞为2.0时,出口平均总压恢复系数接近0.87,而在M a∞=1.8时该值不低于0.91。      

进气道动态畸变被动控制技术的初步研究

对S型进气道扩压器在临界及超临界工况下的流动特性进行了研究,通过研究了解超临界工况下动态畸变的形成和变化特征.国内外的研究均表明:进气道内激波与附面层的相互干扰是引起动态畸变的主要原因之上,因而本文中采用壁面处理被动控制技术进行激波与附面层干扰的控制,用以抑制动态畸变.研究结果表明:在较大的超临界工况下,该控制技术可明显地抑制激波的失稳和振荡,从而使动态畸变的气流脉动峰值下降约60%.     

一种新型乘波体设计方法研究

吻切锥乘波体是一种非常重要的高超声速飞行器设计构型,设计出既具有较高升阻比又能保持较高容积效率的乘波体,仍然是研究的难点。提出一种新型吻切乘波体设计方法,以圆锥流场为基准,在上表面出口型线(FCC)和下表面激波出口型线(ICC)基础上引入一条新的出口激波圆心曲线;通过调整出口激波曲率半径达到改变乘波体体积和容积率的目的;设计四种乘波体———传统吻切锥乘波体、激波半径减小乘波体、激波半径加长乘波体和直线ICC乘波体,并采用CFD数值模拟方法对四种乘波体进行对比分析。结果表明:所提乘波体设计方法合理可行;在无粘条件下,容积率小的乘波体拥有更大的升阻比;在粘性条件下,四种乘波体升阻比接近,本文设计的乘波体具有更大的容积率和更好的应用价值。