减阻杆与环形喷流组合构型钝头降热数值模拟

针对单一减阻杆构型在有迎角来流条件下降热效果急剧下降的问题,提出了减阻杆和环形喷流组合构型的降热方案,对减阻杆和环形喷流组合构型进行不同来流和喷流条件下的数值模拟,得到了模型流场和壁面热流分布。研究结果表明：在组合构型的流场中,喷流受减阻杆后低压区的影响,未直接与自由来流作用,喷流压比从0.05至0.40,组合构型流场未出现长穿透模态和短传透模态转变,流场结构更为稳定;喷流包覆了减阻杆和钝头体壁面,再附激波和分离激波被推离壁面。0°迎角来流条件下,小喷流压比也有好的降热效果,喷流压比为0.05可以使减阻杆构型钝头体的壁面热流峰值降低到原来的一半以下;单一减阻杆构型在有迎角来流条件下,分离激波和再附激波直接作用在钝头体壁面上,钝头体壁面热流急剧上升。组合构型在有迎角来流条件下有明显的降热效果;随着迎角的增加,喷口处的背压升高,喷流对流场的干扰效应减弱,达到相同的降热效果需要更大的喷流压比;相同的喷流压比下,在再附着点前喷流,喷流膨胀更完全,降热效果更好;减阻杆和环形喷流组合构型相对于单一减阻杆构型,在小喷流压比下减阻效果增强。     

一种无烧蚀自适应的减阻防热新方法研究

为了解决传统激波针方法在高超声速实际应用中存在的问题,结合逆向喷流方法以及激波针方法,提出了一种无烧蚀自适应的高超声速减阻防热新方法一可伸缩姿态自调整喷流激波针方法(TSAJS).通过数值模拟的方法,针对不同L/D参数的TSAJS外形,对不同攻角、来流马赫数以及喷流马赫数状态下的流场结构、壁面压力和热流分布以及阻力系数等进行了对比研究.结果表明,TSAJS方法在有攻角状态仍然能够有效降低外形的阻力以及壁面热流,L/D为1的TSAJS外形可使壁面热流峰值及阻力系数均降低65％左右.在喷流作用下,TSAJS方法还可避免激波杆头部直接暴露于来流而产生严重的气动加热,从而不需要再特别考虑激波针的防热问题.     

超声速逆向喷流的减阻与降热

利用流动控制技术改变流场结构的方法,对逆向冷喷流将激波推离物体表面以达到减阻减热的效果,进行了数值模拟计算。通过计算给出了钝头体在超声速流场中有无逆向喷流的压力场和温度场的比较,结果表明,逆向喷流对钝头体表面的减阻和减热起到了明显的作用。     

联合激波针-逆向喷流方法的新概念研究

提出一种可用于高超声速减阻和降热的联合激波针-逆向喷流方法,采用数值模拟对该方法在高超声速二维以及轴对称球柱外形上应用进行了概念验证。结果表明联合激波针-逆向喷流方法能有效降低外形的阻力以及头部热流,在同等来流及喷流条件下,其减阻和降热的效率均优于单独逆向喷流的结果。该方法应用于轴对称外形时,流动在钝体肩部再附点附近产生激波干扰而导致壁面出现热斑,通过增大喷管直径的方法来增大喷流量可降低激波在肩部再附区的干扰效应,达到消除热斑、降低局部高热流的目的。     

逆向喷流技术在高超声速飞行器上的应用

高阻力和强烈的气动加热是高超声速飞行器气动设计研究中遇到的两个主要问题。作为一种主动流动控制技术,逆向喷流因其在减阻防热方面的良好效果日益成为研究热点。本文围绕逆向喷流技术在不同外形飞行器上的应用,梳理了其技术发展情况,包括逆向喷流的压比、质量流率以及冷却剂等关键参数的研究,逆向喷流可有效应用于高速再入体的防热,钝头体和升力体的减阻。对其自身表现出的典型物理现象,如流动模态转换、自激振荡的机理进行了详细分析,同时介绍了作者所在研究团队在逆向喷流技术应用于高超声速飞行器上所取得的研究成果,包括飞行器升阻比的提升效果以及滑翔状态下逆向喷流的周期性振荡特性,为此技术在未来的进一步工程化应用提供一定参考及借鉴。     

钝体逆向喷流减阻降温数值仿真研究

本文采用基于结构化网格的Navier-Stokes方程数值模拟方法,开展基于不同来流迎角逆向喷流技术的钝体减阻降温影响研究。结果显示,随着来流迎角变化,无喷流状态的钝体阻力大小基本无变化,而有喷流状态的阻力随迎角增大而单调增大,上母线有喷流状态热流值均小于无喷流状态,而下母线远离喷口位置的壁面温度基本无减少。背风侧与迎风侧的壁面压力及热流分布发生明显变化。     

超声速飞行器减阻盘与逆向喷流组合构型减阻防热性能研究

为降低超声速飞行器气动力和热载荷，采用数值方法对应用减阻盘与逆向喷流组合构型的钝体飞行器的气动性能进行了研究。首先，对仿真计算模型和数值计算方法进行了简要介绍。然后，进行了网格无关性校验和数值方法校验。最后，开展了仿真验证，分析了喷嘴直径比、减阻杆长径比、减阻盘直径比和逆向喷流总压比对减阻和防热性能的影响规律。研究结果表明：增加喷嘴直径比，减阻和防热效率均增大；增加减阻杆长径比，减阻和防热效率均先减小后增大；减阻盘直径比对减阻和防热性能影响不大；增加逆向喷流总压比可以显著改善防热性能，但会降低减阻效率。适当选取减阻盘与逆向喷流参数，最优构型可达到40.9%的减阻效率，同时防热效率达到72.2%。     

利用二维平面和轴对称逆向喷流减阻和降低热流的计算研究

对近年来国内外学者在减阻和降低热流方面的工作做了简要回顾,并对带逆向喷流钝体的高超声速绕流流场进行了数值计算,对二维圆柱和球头物形的差异给喷流减阻和降低热流效能带来的影响进行了研究。结果表明逆向喷流对二维平面物形具有良好的减阻和降低热流作用,但对于轴对称的球头由于肩部流动再附处的强烈激波干扰,会形成热斑,其局部热流反而高于无喷流时的热流值,适当加大喷流压比可以避免激波在肩部再附区的干扰,达到降低表面热流的目的。本文认为在逆向喷流的研究中,采用真实维数的物形对于得到正确的研究结论是非常重要的。     

典型激波针减阻降热特性及流动机理

为研究激波针对超/高超声速钝头飞行器进行减阻降热的相关特性,采用数值模拟方法对6种典型激波针构型的流动特征开展系统研究。给出了激波针长度、来流马赫数对流动特征的影响规律,并对其形成机理进行了探讨。结果显示:马赫数较低时,头部有扰流物的5种激波针在回流区即将分裂时减阻率最大;马赫数较高时,减阻率在回流区分裂前后出现局部峰值,但最大减阻率将出现在回流区分裂后更长的激波针长度下。马赫数为3时,6种构型减阻率达最大时的相对长度在0.8~1.2之间,相比而言,球型、半球型和双锥型的减阻效果最好,最大减阻率为45%~50%;圆锥型最差,为20%~25%,明显低于头部有扰流物的构型。相同的激波针长度下,头部有扰流物构型的减阻率随马赫数增大而增大,圆锥型则相反。流场回流区、分离激波、弓形激波、局部膨胀流动等导致的压力分布变化是构型整体阻力变化的主要成因。      

反向喷流与主流干扰数值模拟

反向喷流是改变钝体迎风面压力和温度分布的有效手段之一，所以了解反向喷流场对再入体防热及减阻设计具有重要意义，本文用有差分法求解轴称Ｎ－Ｓ方程模拟了球柱体部反向喷流与超声速自由来流的干扰流场。研究了喷流出口压力对流场的影响，物面压力分布及喷流Ｍａｃｈ盘、弓形激波的脱体距离与实验值进行了比较，取得了一致的结果，喷流附近分离区的再附位置及再附产生的激波位置也与实验相符，但高压比下再附激波略强于实验。     

典型及衍生激波针构型的减阻降热流动特性

为探索激波针对超声速钝头飞行器进行减阻降热时的更优衍生构型,采用数值模拟方法对3种典型单扰流物构型、6种双扰流物构型、两类多扰流物构型和钝锥型激波针的流动特性进行了研究,认为加装激波针后的几何本质相当于“镂空式”的锥型钝头体。模拟结果显示：激波针头部扰流物相对直径较大时,减阻率随激波针相对长度的变化曲线没有明显的峰值点,而是存在一个变动幅度很小的峰值段,且相对直径在0.3～0.4左右时减阻效果最佳;典型激波针的最大减阻率约为50%,采用双扰流物构型时略有提升;中部增加多个扰流物时减阻率随扰流物数量增多而增大,最大减阻率超过60%,但气动加热问题较严重。相比而言,钝锥型激波针减阻降温的综合性能最好,最大减阻率可达60%左右,降温率约为7%。     

脉冲激光能量降低高超声速波阻机理研究

高超声速飞行器面临较高的波阻问题。为揭示基于脉冲激光能量沉积的减阻机理,并为激光减阻新方法提供科学指导依据,在马赫数为5.0的高超声速激波风洞内开展了单脉冲激光与弓形激波相互作用过程的实验研究。结合数值模拟结果,揭示了单脉冲激光的减阻机理。通过数值模拟研究了高重频激光与弓形激波相互作用的减阻机理。结果表明:在脉冲激光引致的激波与弓形激波相互作用的特定时刻,钝头体表面附近形成了低压低密度通道,这是钝头体阻力降低的原因。高重频激光引致的激波串可在高超声速流场中追赶合并形成锥形的准静态波,准静态波与弓形激波相互作用增大了弓形激波的脱体距离,弓形激波后压力和温度重新分布,形成相对稳定的流场结构,减阻率达到19%。     

逆向喷流对双锥导弹外形减阻特性的影响

逆向喷流是一种主动流动控制技术，具有减阻降热特性，可用于高超声速飞行器设计。以典型双锥导弹外形的球头、单锥、双锥（全弹）为研究对象，将喷流发生器和弹体固连，采用CFD方法对逆向喷流的减阻特性进行了数值研究，对比分析了喷流马赫数、喷流压比等参数对不同对象减阻效果的影响。结果表明：逆向喷流流场存在长、短射流穿透两种模态；球头在小压比长射流模态时的减阻效果最佳；单锥和双锥在大压比短射流模态时的减阻效果更好。存在一个最佳压比，使得逆向喷流的减阻效果最佳；喷流压力过大，减阻效果变差，甚至出现阻力系数不降反增情形。逆向喷流减阻效果对控制体选取敏感，若将逆向喷流对头部的减阻特性（超过40%）直接推广至飞行器整机（6%左右），评估结果过于乐观。综合最佳减阻效果、最佳喷流压比、流量与所需储气瓶体积等影响因素，工程应用时逆向喷流应优先选用声速喷流。     

导弹模型后体横向喷流干扰特性

通过在2m×2m超声速风洞开展横向喷流静态测力和油流显示试验，获取了来流马赫数为1.5~4.0、迎角为-8°~27°、喷流静压比为5~17.6及不同喷口位置等参数对横向喷流干扰的影响规律，结合数值模拟获取了模型表面极限流线和喷口附近干扰流场结构，进而研究了导弹模型强迫运动下的横向喷流干扰特性。结果表明:在模拟参数范围内，位于导弹模型后体的横向喷流均产生有利干扰；来流马赫数越大，干扰放大因子随迎角变化越剧烈，静压比升高导致干扰放大因子减小，“单独向上喷流”干扰程度大于“单独向下喷流”；强迫运动条件下基本气动特性和干扰均出现动态迟滞，干扰放大因子尤其在大迎角和下俯过程中明显偏离固定迎角值，表明模型运动对横向喷流干扰特性影响较大。      

高马赫数下横/逆向喷流干扰流场数值研究

横向喷流和逆向喷流广泛用于高超声速飞行器气动力与气动热控制。采用格心型非结构有限体积法求解基于三温度热化学非平衡模型的全Navier-Stokes方程,对高空、高马赫数来流条件下二维圆柱状构型飞行器的喷流干扰流场进行数值模拟,研究了仅存在横向或逆向喷流以及横/逆向喷流同时存在时的复杂流场结构以及喷流降低热流、减阻、改善升力的具体效果。通过控制变量的方法,探究了不同参数（马赫数、静压）的喷流对流场结构及飞行器的气动力、气动热的影响规律。结果表明：在一定条件下,当逆向喷流与横向喷流同时存在时,下游的横向喷流可以影响到上游的逆向喷流流场结构;逆向喷流可以显著减小高超飞行器阻力,并降低头部壁面热流峰值,而横向喷流对高超飞行器的升力特性有一定提高;在横向喷流已用于飞行器姿态控制的情况下,一定条件下可以同时使用逆向喷流,既可以减阻、又可以降低热流峰值,还可以提升升力。     

头部和后体对钝头体侧向力的影响

钝头体大迎角飞行时会出现随机的非对称流动现象,引起不确定的较大侧向力,进而使其偏离运行轨道。通过在钝头体头部施加人工扰动块可以固定其大迎角下的非对称流场结构,得到确定的侧向力,以利于改善钝头体的大迎角飞行特性及机动性。本文讨论了在头部人工扰动块主控流场结构的基础上,模型后体对侧向力影响的存在性问题,在迎角为50°、雷诺数为1.54×105的条件下,利用实验对周向角为90°和270°、子午角为10°的扰动位置的球形扰动主控下的侧向力影响因素进行了研究。发现钝头体大迎角下的非对称流动结构在头部主控的基础上,后体对非对称流动的影响不会消失,且其为影响头部扰动主控作用的重要因素。尽管模型后体的影响不会改变钝头体头部对于流场结构的主控地位,但会影响头部扰动控制的精准程度。所以在通过钝头体头部施加扰动进而得到确定的侧向力的同时,还需要减小模型后体对流场的影响,对其结构和加工质量进行优化,以更好地通过人工扰动主控流场结构。     

基于彩色纹影的EdneyIV型激波相互作用研究

发展了一种高分辨率和灵敏度的彩色纹影技术,研究高超声速条件下EdneyIV型激波相互作用。解决了制作彩色滤光片的关键技术,采用特制的彩色滤光片代替了传统纹影系统中的刀口,高速彩色相机曝光时间60Vs,帧频6242fps。将光源限制在0．5mm×20mm的狭缝内以提高系统灵敏度。实验在马赫数为5的激波风洞内进行,EdneyIV型激波相互作用由15°斜劈和20mm直径钝头体产生,来流静压和静温分别为1800Pa和100K。数值模拟采用迎风格式求解三维RANS方程。实验得到了清晰的彩色纹影照片,细致地呈现了EdneyIV型激波相互作用的波系结构和马赫数为1．2的超声速射流。数值计算与实验结果很好地吻合,共同揭示了EdneyIV型激波相互作用机制和钝头体表面局部高压区域的形成原因。     

基于响应面法的带喷流激波针参数优化研究

对基于响应面法的带喷流激波针参数优化方法进行了研究,优化目标是最佳减阻效果和最小喷流流量,优化参数是激波针长度、喷流出口总压和喷流出口直径,利用响应面模型对设计参数与响应目标的关系进行建模,样本点设计采用了Ⅳ-最优方法,样本点的气动响应通过数值计算得到,最后用期望函数法进行多目标寻优。研究表明:激波针长度、喷流总压和喷流出口直径与阻力呈现2阶或3阶非线性关系,且激波针长度和喷流出口直径耦合效应较强;响应面模型给出了阻力与各设计参数关系的数学表达式,仅用较少的样本点就获得了设计空间内任意参数组合的阻力预测值和置信区间,效率较高;通过响应面法获得了最优参数组合,其阻力预测值与校验结果相比精度较高;响应面法应用于带喷流激波针这类多参数、多目标优化设计问题中,有计算量小、结果可信、实用性强的特点。     

带减阻杆高超声速飞行器外形气动特性研究

采用高超声速风洞测力试验方法测量钝头飞行器头部减阻杆的高超声速气动特性,研究减阻杆的气动减阻原理,分析了多组不同构型减阻杆的减阻效果。结果表明,减阻杆显著减少了钝头飞行器高超声速的阻力,最大的减阻率达到60％之多;减阻效果与减阻杆构型和迎角状态密切相关;减阻杆会诱发稳定性、“热斑”以及非定常脉动等不利问题。     

高超声速飞行器减阻杆-双盘-槽道组合构型减阻防热特性研究

针对高超声速飞行器减阻防热问题,提出了一种减阻杆头部开槽进气、中部侧向排气的减阻杆-双盘-槽道组合构型。在飞行高度30 km、来流马赫数6条件下,基于SST k-ω湍流模型,采用有限体积法求解了二维轴对称雷诺平均N-S方程,对组合构型的流场进行了数值模拟,并分析了其减阻防热特性。相比减阻杆-单盘构型,减阻杆-双盘构型减阻防热效果更好,而减阻杆-双盘-槽道构型可以进一步提高减阻防热效果。进行了组合构型的影响因素分析,数值仿真结果表明,在研究参数范围内,侧向排气孔靠近两个气动盘中间位置、第二个气动盘直径较大的构型减阻防热总体效果较好。相比减阻杆-单盘构型,较优构型的总阻力系数降低了24.70%,钝体壁面斯坦顿数峰值降低了53.63%。