超高速高焓流动研究进展

本文介绍了中国科学院高温气体动力学重点实验室在超高速高焓流动模拟技术和试验方法方面取得的研究进展.文章主要包括三部分研究内容:第一部分是关于发展先进的超高速试验模拟技术,包括爆轰驱动高焓激波风洞和爆轰驱动高焓膨胀管.高焓激波风洞产生的超高速气流速度的范围是3.5km/s～6.0km/s,高焓膨胀管能够模拟速度为6.5km/s～10km/s的超高速气流.第二部分介绍高焓激波风洞喷管流场诊断结果,用来检验喷管产生的超高速流场的流场品质及其与飞行条件的差异.第三部分是关于超高速流动的试验方法和数值技术研究,包括高焓流动中真实气体效应对飞行器俯仰力矩变化的影响;热化学反应流动中表面催化效应诱导的气动热变化规律;喷管流场的气流非平衡效应对试验结果可能产生的影响.     

JF-16膨胀管流场分析及升级改造

膨胀管（风洞）是少数几种具备超高速流动模拟能力的地面试验设备之一,针对中国科学院力学研究所高温气体动力学国家重点实验室的爆轰驱动膨胀管JF-16,通过高焓流动数值模拟方法辅助诊断JF-16的流场特性可以发现,高温真实气体效应可以显著增加激波对气体的压缩能力并影响强激波结构,加速段内试验气流静温及化学成分较真实飞行条件有所偏离。为此对JF-16进行升级改造,通过在加速段末端加装锥形喷管,利用喷管的定常膨胀过程进一步调整试验气流的静温,进而提高试验气流品质,同时可以扩大试验区尺度。数值模拟结果表明8°锥角为最优选择,此时试验区尺度可扩大至140 mm。     

高焓激波风洞爆轰驱动技术研究

激波风洞爆轰驱动技术利用引爆可燃混合气体快速释放的化学能产生强激波,压缩激波管的试验气体,提供产生超高速流动所需的试验气源,是近十几年来发展成功的激波风洞强驱动方法.本文分布介绍了反向爆轰驱动、正向爆轰驱动和反向爆轰膨胀驱动模式,分析了应用这些驱动技术产生的高焓、高雷诺数、高超声速流动的气源特点,探讨了不同驱动模式影响激波风洞性能的关键因素.并重点介绍了反向爆轰膨胀驱动模式,分析了影响缝合条件的参数以及二次波现象.应用这些爆轰驱动技术,研制了能够产生总焓为1000K～8000K,具有较长试验时间的高品质超高速气流.为开展高超声速气动实验研究奠定了良好的基础.     

JF-12激波风洞在火星进入环境下的运行特性

火星探测是目前国际深空探测的热点,而火星着陆是火星探测的关键技术之一,火星着陆器发展中面临的一个严峻的挑战是其气动环境远远不同于地球大气的空气。然而,现阶段大多数地面试验设备都是以空气为试验气体来设计的,而不是火星大气的CO₂。本文利用高温热化学反应流动数值计算技术,对JF-12反向爆轰驱动激波风洞在火星进入环境下（主要气体成分是CO₂）的运行特性进行了计算模拟,通过调整激波管中驱动/被驱动气体的初始参数和高/低压段的截面积比,来模拟其中的波系产生、传播过程以及反射激波与接触面的相互作用机制。研究发现,相同情况下驱动CO₂的缝合激波马赫数要明显高于空气,通过减小驱动气体的声速和低压段的直径,可以在驱动CO₂时获得驻室压力稳定的试验气体。     

高焓流动重要基础问题研究进展

本文报道了我们在爆轰驱动高焓激波风洞中开展的测试工作的进展.试验气流有两种典型的状态.分别对应流动速度5km/s与4km/s.这里主要说明在气动热、气动力、红外辐射、电离特性、化学组分等物理量测量方法上,我们所做的努力以及所得到部分典型的结果.     

混合相/冰晶条件下的结冰研究综述

针对混合相/冰晶结冰问题，阐述了与过冷水结冰的差异及其危害。从混合相/冰晶结冰地面模拟试验设备、试验现象以及数值模拟3个方面详细论述了混合相/冰晶结冰的研究进展。其中，地面模拟试验设备以Cox冰风洞、NRC高空试验设备、NASA推进系统试验室、德国布伦瑞克冰风洞为例，总结了各自的冰晶生成方法和试验能力；分别介绍了以上4个地面模拟设备中开展的混合相/冰晶试验，分析了其试验现象的异同和产生的原因；针对混合相/冰晶结冰数值模拟中面临的4个关键问题：冰晶运动融化相变、冰晶黏附、侵蚀、结冰过程模拟，总结了现有模型和模拟方法，提出了不足之处。最后，对混合相/冰晶结冰有待进一步重点关注的研究方向进行了展望。     

高焓风洞中带翼钝锥体尾流电子密度的测量与分析

报道了在爆轰驱动高焓激波风洞中开展带尾翼钝锥体电子密度测试的相关研究工作进展。试验气流为4km/s,密度为0.001kg/m3。诊断尾翼对尾流的影响时,为不影响流场并获得足够的空间分辨率采用针状静电探针;实验结果给出带尾翼模型对尾流电子密度影响的定量结果及受影响的空间区域。     

模型表面温度对光电特性影响的实验研究

对在JF-10氢氧爆轰驱动高焓激波风洞中开展烧蚀材料模型表面温度对光电特性影响的实验方法进行了探索。风洞实验状态的驻室总压约为20MPa,驻室总温约为6000K,自由流速度约为4km／s。实验以锑化铟多单元红外成像系统与电离列阵测试装置为测量手段,用以烧蚀材料为头部的球头钝锥体模型,实验测量激波层中红外辐射的横向剖面分布和壁面附近电离密度的剖面分布,并在烧蚀材料加热和不加热两种情况下进行了对比实验。实验结果表明：烧蚀材料的加热加强了模型头部激波层中的红外辐射,同时也增大了模型表面的电子密度。     

大尺寸自由活塞激波风洞重活塞软着陆关键技术

高焓激波风洞的驱动技术决定了风洞总焓和总压试验能力。重活塞压缩加热技术具有驱动性能强和运行灵活性高等特点，是高焓激波风洞关键驱动技术。针对重活塞发射效能、重活塞与壁面摩擦、膜片破膜等情况带来的大尺寸重活塞难以安全软着陆问题，通过理论分析、动网格数值模拟和试验验证相互结合的手段，分析了重活塞实际运动过程的影响因素，建立了重活塞调谐运行方法，获得了稳定的驱动压力，可为不同的模拟需求提供对应的试验状态。研究了质量为205 kg、275 kg的重活塞在压缩管中运行最高速度分别超过350 m/s、450 m/s的软着陆过程，获得了压缩管末端总压15 MPa、总温3 450 K和总压45 MPa、总温4 845 K的定压试验状态。本研究解决了大尺寸自由活塞激波风洞重活塞软着陆难题，保障了世界最大尺寸自由活塞驱动的FD-21高焓激波风洞中、质量为数百千克的重活塞、在长度为75 m的压缩管中的运行安全。     

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。     

Instrumentation of a Pilot Counterflow Facility

In the VKF Counterflow Facility a small test model is launched upstream through the test section flow of a shock tunnel, thus producing relative velocities greater than that of either single component. This facility is presently capable of simulating model velocities greater than 30 000 ft/s (9.2 km/s) and altitudes from 50 000 to 200 000 ft (15.2 to 61 km). Instrumentation systems and components essential to the operation of this facility are described in this paper.     

涡扇发动机高空台惯性起动的试验

某型大流量涡扇发动机在高空台完成了飞行高度为5,8,10km的惯性起动.高空台试验结果表明:惯性起动过程中模拟的进气和排气压力存在着较明显的波动,偏离真实工况;利用不同的计算方法分析惯性起动数据,得到的飞行表速相差25~70km/h.以试验分析结果为基础,推荐了一种高空台惯性起动试验性能的评估方法,即成功起动以推杆时刻为起点3s内的平均值作为试验模拟飞行状态,起动失败以转速反转为起点到转速再次下降之间的平均值作为试验模拟飞行状态.      

升力体飞行器尾喷流模拟气动力试验方法研究

尾喷流对升力体高超声速飞行器的气动特性影响显著,风洞喷流模拟测力试验是研究升力体飞行器尾喷流干扰效应的重要手段。在尾喷流模拟气动力试验中,选取恰当的喷流模拟参数,以及克服喷流供气管路对天平测力的干扰以提高测量精准度,是需要解决的关键技术。在 CARDC 的Ф1米高超声速风洞中,研究了采用冷喷流模拟、飞行器整体模型测力的升力体飞行器尾喷流模拟测力试验方法。通过优化模型结构设计、选用小干扰的喷管分断缝隙密封措施,解决了带尾喷流模拟条件下的升力体飞行器气动力精确测量问题,提高了带喷流气动力试验数据精度,接近常规气动力试验的水平。     

A numerical optimization of high altitude testing facility for wind tunnel experiments

High altitude test facilities are required to test the high area ratio nozzles operating at the upper stages of rocket in the nozzle full flow conditions.It is typically achieved by creating the ambient pressure equal or less than the nozzle exit pressure.On average,air/GN2is used as active gas for ejector system that is stored in the high pressure cylinders.The wind tunnel facilities are used for conducting aerodynamic simulation experiments at/under various flow velocities and operating conditions.However,constructing both of these facilities require more laboratory space and expensive instruments.Because of this demerit,a novel scheme is implemented for conducting wind tunnel experiments by using the existing infrastructure available in the high altitude testing(HAT)facility.This article presents the details about the methods implemented for suitably modifying the sub-scale HAT facility to conduct wind tunnel experiments.Hence,the design of nozzle for required area ratio A/A*,realization of test section and the optimized configuration are focused in the present analysis.Specific insights into various rocket models including high thrust cryogenic engines and their holding mechanisms to conduct wind tunnel experiments in the HAT facility are analyzed.A detailed CFD analysis is done to propose this conversion without affecting the existing functional requirements of the HAT facility.     

Investigation of dual ignition for a detonation-driven shock tunnel in forward driving mode

A detonation-driven shock tunnel is useful as a ground test facility for hypersonic flow research. The forward detonation driving mode is usually used to achieve high-enthalpy flows due to its strong driving capability. Unfortunately, the strong detonation wave front results in diaphragm fragments that disturb the test flow and scratch the nozzle or test models. In this study, a dual ignition system was developed to burst a metal diaphragm without fragmentation in the forward driving mode. A series of experiments were conducted to validate the proposed technique. The influences of the delay time setting on the test conditions were investigated in detail. Numerical simulations were also conducted to obtain a better understanding of the wave processes in the shock tube. The results showed that the dual ignition system solved the diaphragm issues in the forward driving mode. The test time was shortened due to the additional ignition close to the primary diaphragm; the smaller the delay time, the shorter the effective test time. However, a small amount of time loss is considered worthwhile because the severe diaphragm problems have been solved.