基于电子束电离的磁流体力学进气道流动控制数值模拟

采用基于电子束电离的磁流体力学(MHD)控制系统,对高超声速流场附面层,以及非设计状态下的高超声速进气道流场的磁流体控制进行了深入研究.控制方程为低磁雷诺数Navier-Stokes方程,采用等离子体动力学模型与电子束模型模拟空气电离过程.研究结果表明:①电子束电离能有效提高流场的电导率,增强磁场对流场的控制效率;②基于电子束诱导电离的MHD控制系统能有效地控制高超声速流场的附面层,但其控制效率跟电子束能量大小相关;③基于电子束诱导电离的MHD控制系统能有效地改变非设计状态下高超声速飞行器的斜激波结构,使进气道重新满足Shock-on-lip(SOL)条件,但进气道的总压恢复系数以及流量将会降低.      

高超声速风洞压敏漆试验技术

提出了适用于高超声速风洞开展压敏漆(PSP)试验研究的关键技术及解决办法。采用自主设计的PSP校准系统及测试系统,考核了代号为EC-PSP的压力敏感涂料在高超声速条件下的适用性、图像处理软件功能以及高温条件影响下数据处理方法的可行性。以压缩拐角模型为例开展了马赫数为5的高超声速PSP技术验证性风洞试验研究,辅以红外测温方法获得模型表面连续温度分布。试验结果表明在高超声速风洞开展的PSP试验技术研究清晰地捕获了基于压力变化的压缩拐角模型表面流动特征,实现了连续压力分布的测量。     

美着手研制高超声速风洞

美国空军的阿诺德工程研制中心(AEDC)，正在负责实施一项8年的研究计划，目的在2015年建成一个马赫数达15的高超声速风洞实验基地。磁流体动力学加速器转化成先进的高超声速(Mariah)项目的团队成员，正在研究应用超高压空气、一台电子束加速器和一台磁流体动力学加速器以达到马赫数为12～15的试验速度。美国弹道导弹防御组织对Mariah项目很感兴趣，因为将来的高超声速导弹需要进行这样高速度的试验，而美国目前还没有能力对飞机或导弹进行马赫数为10～15的实际飞行条件下的试验。 为了在试验段内建立200 MPa以上的超高压，同时又维持中等高的空气温度，需要采用一系列的特殊设计。空气将先被加速至马赫数2，再用电子束加入辐射能，增压超声速气流，使其达到马赫数12，然后用磁流体动力学加速器将气流进一步加速至马赫数15。 要建成世界上最大功率的电子束加速器，最早也得到2002年，这仅是用1 MW电子束加热通过一喷管。若实验成功，再在2005年将10 MW～20 MW电子束与高压空气增压器集气管和磁流体动力学加速器相组合进行实验，以确定构建200 MW电子束全尺寸装置的可行性。建设这一项目大约需要8年时间。 (本刊通讯员)     

高超声速边界层流动稳定性实验研究

高超声速条件下边界层转捩相关研究是近年来空气动力学领域的研究热点。通过采用基于纳米粒子示踪平面激光散射(Nano-tracer-based planar laser scattering,NPLS)技术以及温敏漆等测试技术,对高超声速边界层的流动稳定性开展了实验研究。通过NPLS技术,对圆锥边界层中第二模态波精细结构进行了测量,并基于时间相关的测量结果,对第二模态波的波长和频率进行了分析。针对裙锥边界层NPLS结果,计算了特定位置上功率谱空间分布结果,测量得到了高次谐波成分。通过温敏漆和NPLS结果,发现主导三角翼前缘边界层转捩的模态为行进横流模态,分析了该模态的特性,并且与Kulite传感器测量得到的频率进行比较。     

信息动态

高超声速飞行器是国际上研究的热点,也是我国着力发展的重要武器装备之一.高超声速流动问题,作为高超声速飞行器研制过程当中的关键技术问题,已经受到国内外的高度重视.2008年,美国国防部组织实施的国家高超声速基础研究计划(NHFRP计划)中,将“超声速燃烧、边界层物理、激波控制流动、非平衡流动、环境与材料耦合作用、高温材料和结构”等列为六大基础科学问题,其中前四项均属于高超声速流动问题的范畴.我国为了推动高超声速飞行器的发展,相继启动了多项研究计划、科技工程和专项工程,国家自然科学基金委员会也启动了“空天飞行器的若干重大基础司题”、“近空间飞行器的关键基础科学问题”等研究计划.这些工程与计划充分体现了高超声速流动的重要性,以及基础研究和工程应用相结合对高超声速飞行器发展的重要意义.     

应用γ-Reθ湍流模型和PSE方法研究高超声速流动

采用考虑转捩的γ-Reθ湍流模型研究了高超声速复杂流动,结合PSE(parabolic stability equa-tion)稳定性分析方法和e-N方法,通过给出边界层最不稳定点的参数,用以控制γ-Reθ的转捩经验关联式,减少对经验参数的依赖.计算了锥体高超声速流场,得到的壁面换热量和边界层转捩位置与实验吻合较好.计算了平板激波/边界层干扰和高超声速拐角压缩流场,得到了准确的波系结构、压力分布和分离区的大小.结果表明,该方法与传统湍流模型相比具有较大的优越性.     

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。     

二维带动力吸气式高超声速飞行器绕流的PNS-NS混合求解

为了提高吸气式高超声速飞行器绕流的求解效率,采用空间推进求解抛物化PNS(parabolizedNavier-Stokes)方程和时间迭代求解Navier-Stokes(N-S)方程的混合计算流体动力学(CFD)方法来求解高超声速飞行器整机绕流.在超声速占主导的流动区域采用空间推进求解抛物化N-S方程的方法,在亚声速和分离区采用时间迭代求解N-S方程的方法.对于求解二维带化学反应的吸气式高超声速飞行器绕流,混合CFD方法和完全时间迭代方法相比,可得到同等准确的数值模拟结果,并且求解效率提高了数倍.      

高超声速飞行器相关的摩擦阻力直接测量技术

摩擦阻力是高超声速飞行器气动力的重要组成部分,也是制约高超声速飞行器发展的重要因素,因而对摩擦阻力的准确测量就显得尤为重要。简要介绍了近年国内外与高超声速相关的摩擦阻力直接测量技术的发展状况,同时对中国航天空气动力技术研究院白行研制的两套摩擦阻力测量装置作了介绍,并指出应变式摩阻天平技术是测量摩擦阻力的有效途径之一。文中给出了这两种结构形式摩阻天平的静校结果及其在高超声速风洞中的试验结果,并对结果进行了讨论。     

单相机高温三维数字图像相关方法

高超声速飞行器热防护材料和结构在地面考核试验中高温变形的准确测量一直是困扰相关工程技术人员的测试技术难题之一。建立了基于单个普通相机/紫外相机和组合式平面反射镜相结合的单相机高温三维数字图像相关(3D-DIC)测量系统,该系统采用高亮度单色光照明(蓝光/紫外照明)和带通滤波成像(蓝色/紫外滤波片)相结合的主动光学成像技术克服高温测量过程中的热辐射干扰问题。首先,采用面内和离面平移实验验证了“主动成像”单相机3D-DIC系统的位移测量精度。然后,利用建立的蓝光单相机3D-DIC系统测量了不锈钢和氧化铝陶瓷试验件不同温度下非直接受热面(后表面)的全场变形,实验测得的材料热膨胀系数与航空材料手册参考值一致。最后,利用建立的紫外单相机3D-DIC系统测量了不锈钢材料直接受热面(前表面)的全场变形,测得材料热膨胀系数同样与参考值接近。     

高超声速飞机动力需求探讨

近年来,随着高超声速技术的长足进步,特别是在超燃冲压技术逐渐面向工程化的背景下,关于高超声速飞机及其动力系统的讨论也频繁出现。为了在宽速域条件下工作,基于不同热力循环工作模式的组合动力系统相继被提出,高超声速飞机的动力发展形式出现了百花齐放、百家争鸣的局面,也对高超声速飞机动力系统的选型提出了巨大挑战。通过对飞机发展史及高超声速相关发展技术的综述,阐述了现阶段组合动力是高超声速飞机动力主要发展方向这一结论,针对高超声速飞机需求,梳理和分析了几种高超声速组合动力系统的工作原理、工作特性及优缺点,并展望了采用组合动力系统对未来高超声速飞机研究带来的挑战。随着飞行速度的提高,高超声速飞机和动力系统的一体化势在必行。     

高超声速飞行器热环境与结构传热的多场耦合数值研究

为了准确预测高超声速飞行器面临的严峻气动热/力环境以及结构的热力响应,发展了高超声速流动与结构传热耦合框架。采用分区求解方法,通过耦合界面的实时数据传递,实现了基于Navier-Stokes方程的高超声速化学非平衡计算流体力学（CFD）求解器与结构的热力全耦合有限元法（FEM）求解器的多场耦合计算,建立了高超声速飞行器的多场耦合数值分析方法。首先对经典高超声速圆柱绕流实验进行了耦合计算,结果与实验值吻合良好。然后针对典型的超高温陶瓷（UHTC）材料的耦合传热问题进行了数值研究,考虑热传导效应对气动热环境和结构热响应预测的影响,结果表明对于复杂外形且热导率相对较高的UHTC材料,结构内部热传导对热环境和表面温度分布的影响不可忽略。最后针对UHTC材料热物性（比热和热导率）非线性对高超声速流动传热过程的影响进行了研究,结果表明当比热和热导率处于合理的误差范围内时,材料表面温度响应对其变化并不敏感。     

Mechanisms of plasma actuators for hypersonic flow control

A summary of recent research progress in hypersonic plasma actuators for flow control is attempted. It is found that the most effective plasma actuator is derived from an electromagnetic perturbation and amplifies by a subsequent viscous–inviscid interaction. Computational efforts using drift-diffusion theory and a simple phenomenological plasma model, as well as experiments in a hypersonic plasma channel, have shown the effectiveness of using electro–aerodynamic interaction as a hypersonic flow control mechanism. In principle, the plasma actuator based on magneto–aerodynamic interaction should have an added mechanism in the Lorentz force, making it even more effective as a flow control mechanism. However, this approach also incurs additional challenges and complications due to the Hall effect.

Magneto–aerodynamic interactions have also been demonstrated for separated flow control, albeit in a very limited scope. Numerical simulations based on a simple phenomenological plasma model have shown the feasibility of separated flow suppression in shock-boundary-layer interaction over a compression ramp at a hypersonic flow of Mach 14.1. The control mechanism relies on the Lorentz force to energize the retarded shear layer in the viscous interacting region, but the effectiveness of momentum transfer via inelastic collision requires further validation.     

高超声速表面摩擦应力油膜干涉测量技术研究

针对高超声速摩阻测量的需求,将基于表面图像的摩擦应力油膜干涉测量技术（SISF）应用于Φ0.5m常规高超声速风洞。通过平板模型的风洞实验,进行了硬件设备平台研制、模型表面材料、油膜物性参数的影响特性以及干涉图像数据处理方法研究。结果表明,建立的SISF硬件设备和技术能够获得清晰的干涉条纹,平板模型表面摩擦应力测量结果与数值模拟结果一致,研制的SISF系统可以可靠地应用于高超声风洞模型表面摩擦应力测量。     

逃逸飞行器模型高超声速风洞自由翻滚动导数试验技术

高超声速风洞模型自由翻滚动导数试验技术是为满足航空航天飞行器 0°～ 360°全攻角范围内的动导数测量及产生极限环振动现象的研究之急需而研制。简要介绍了试验技术研制的自由翻滚试验装置、液体轴承、角度测试系统与系统建模的大攻角非线性数据处理技术。该项技术已成功地为逃逸飞行器模型提供了满意的试验数据     

一种进气道自起动特性检测方法

发展了一种应用于激波风洞中快速检测高超声速进气道自起动能力的实验方法。该方法通过在隔离段内预先设置轻质堵块,迫使进气道在风洞运行初期不起动,待堵块被吹出后,流道恢复畅通,进而考察进气道是否具有起动能力。实验采用高速纹影拍摄同步壁面压强测量的手段,对二元高超声速进气道的起动特性进行了研究。通过对纹影照片以及相应的壁面压强信号的分析,对所发展的自起动检测方法的可靠性进行了考核,并进一步研究了内收缩比对进气道起动特性的影响。在激波风洞中获得了进气道自起动过程以及起动／不起动双解区的流场特征和相应的壁面压强变化历程。     

再人飞行器脉动压力环境的分析与预测

本文分析了机动再入飞行器因非定常空气动力流动引起的物面脉动压力环境,并根据高超声速无粘流计算的表面压力分布,给出了一套预测各种脉动压力环境统计特性的工程计算公式。算例表明,预测的均方根脉动压力、功率谱密度和交叉功率谱密度与实验值是一致的。     

基于二维曲面基准流场的流线追踪高超声速进气道设计

以压力梯度可控设计方法优化后的二维曲激波基准流场为基础,结合流线追踪和截面渐变技术实现了矩形进口、圆形进口以及方转椭圆进气道设计,证明基于二维曲激波基准流场可以设计出各种进出口截面形状的高超声速进气道.利用上述设计方法设计的3种不同进出口形状的高超声速进气道,与相同约束条件下的常规二元三楔进气道进行了对比.数值仿真研究表明:3种非常规进气道设计点无黏流场马赫数分布及总体性能与基准流场接近,具有二维基准流场的特征,波系结构简单,出口畸变较小.此类进气道的总体性能相当,较常规进气道可以显著缩短外压段长度,流量捕获能力更强,非设计点也表现出良好的性能.以上结果表明该设计方法是可行的,值得进一步研究.      

强激光与高超声速球锥流场干扰数值模拟研究

本文采用有限差分技术，数值求解带能量源项与空气11组分化学动力学模型的轴对称粘性流体力学方程组，采用类氢原子理论模型计算空气对激光的吸收系数，建立了模拟强激光与超声速钝体流场干扰的计算软件，得到了高能浙江与超声速球锥流场干扰数值模拟的结果。     

Minimizing Effects of Reflected Shocks in Ballistic Ranges

Shock waves originating from hypersonic projectiles flown in ballistic ranges and subsequently reflected from the range walls have been found to produce undesirable effects on the measurements of projectile wakes. This paper reports on the mechanisms through which reflected shock waves perturb the wake, the design, and installation of full-scale fiberglas wedge shock attenuation treatments, the design of equipment for minimum shock reflection, and the results of measurements of the performance of the treatment.