基于欧拉方程的高超声速飞行器的壁面流线生成计算

提出了一种新的利用表面流函数法计算高超声速飞行器表面流线分布的方法.首先提出了表面流函数的概念,并通过理论推导,得到了表面流函数与表面流线的关系;然后运用结构化网格求解三维Eu-ler方程,计算得到高超声速钝头体的边界层外缘外部无粘流场气流参数;最后利用无粘流场气流参数和表面流函数的方法计算了高超声速飞行器的精确表面流线分布.结果表明,在无攻角和攻角小于20°的情况下均可以得到较好的壁面流线分布.高精度的表面流线的得到,为利用边界层内粘性主导区域的积分方程等方法进一步精确预测高超声速飞行器表面的气动加热奠定了基础.      

基于轴对称比拟的高超声速飞行器表面热环境数值与工程耦合算法研究

基于轴对称比拟概念,发展了一套笛卡尔坐标系下的高超声速飞行器气动热环境计算方法。首先利用有限体积法数值求解Euler方程获得较为准确的边界层外缘无粘流场参数,然后基于有限元的四节点单元变换方法,直接利用笛卡尔坐标系下的三维速度分量计算无粘表面流线和尺度因子;在获取无粘表面流线和尺度因子的基础上,利用Zoby、Moss和Sutton提出的热流公式计算表面热流,从而实现数值算法和工程算法的耦合。将上述方法用于求解球锥在攻角分别为0°、8°和16°时的表面热流,并将计算结果同经典流线法结果及实验值进行比较,从而对方法进行考核验证。结果显示:本文计算结果与实验值吻合的较好,计算精度较经典流线法有较大提高。     

基于轴对称比拟的高超声速复杂外形气动热预测方法研究

轴对称比拟法是高超声速飞行器气动热计算的一种有效方法。针对轴对称比拟法应用时公式推导繁琐、变量迭代复杂、计算量大的缺陷,直接在笛卡尔坐标系下采用三维线性方程拟合物面方程及流场变量,推导出相应的流线尺度因子计算公式,扩展了驻点区热流密度的计算方法,提出了一种驻点区下游流线推进格式。以改进的轴对称比拟法为基础,将边界层外无粘流场数值方法与边界层内气动热工程算法进行耦合,发展了一套适用于三维复杂外形飞行器的气动热计算方法。通过对球头钝锥和双椭球算例进行验证,结果表明:方法计算效率较高,适用范围较广,热流计算结果和实验数据吻合良好。     

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。     

高超声速飞行器DSMC／EPSM自适应当地时间步长混合算法

采用优化的DSMC/EPSM混合算法,研究了高超声速飞行器三维复杂流场在近连续区的气动力热特性.发展了一种DSMC/EPSM自适应当地时间步长混合算法,根据网格内仿真分子的碰撞数,自动调整网格中进行仿真分子运动和碰撞计算的时间步长,有效地提高了程序的计算效率和计算精度.用DSMC方法、DSMC/EPSM混合算法和DSMC/EPSM自适应当地时间步长混合算法对比计算了三维复杂飞行器流场压力、热流分布量,飞行器表面气动力、热分布参数,证明了DSMC/EPSM自适应当地时间步长混合算法大幅度缩短了流场稳定所需的CPU时间,并且不降低流场模拟结果的精度.     

高超声速全机外形气动加热与结构传热快速计算方法

发展了一种无黏流场解与工程计算方法相结合的高超声速全机外形气动加热与结构传热快速计算方法。该计算方法结合了三维块结构网格无黏流场数值计算技术可处理复杂外形流动的优点与工程计算方法效率高的特点,将气动热的计算简化为绕飞行器的无黏外流(边界层以外)数值解和边界层内热流求解两个部分,同时耦合了防热结构传热计算模型、高温化学非平衡热效应估算方法以及弹道状态动态插值方法,可用于快速计算与分析三维复杂外形高超声速飞行器在弹道飞行状态下全机热环境参数、防热结构内温度场等随飞行时间的变化特性。以RAM-CⅡ、类Ⅹ-37B等典型高超声速飞行器为研究对象,在设定的飞行条件及热防护方案下,进行了气动加热与结构传热问题的求解,给出了全机表面热流密度与防热结构材料温度的时变特性。结果对比表明,所发展的方法具有快速、高效的特点,且计算精度可满足工程设计初期选型需求,可为高超声速飞行器的热防护系统初期设计及热环境特性快速计算分析提供技术支持。     

低速高温燃气流热模拟试验方法和设备

对比分析了两种气流状态参数和两种加热情况下典型前缘部件表面热流密度的相似性,论证了利用亚声速高温燃气流加热方式进行近地空间高超声速飞行工况气动热模拟试验的可行性.针对高超声速飞行器典型钝头锥结构提出“小喷口低速高温燃气流+石英灯”组合热试验方案.通过采用新型高效双腔蒸发管型燃气发生器、新型带保温夹层和耐高温陶瓷内衬的水冷不锈钢高温管道结构,同时引入电加热器预热及燃烧室两路供油方案,使所建低速高温燃气流热试验设备产生燃气流温度达到2100K,φ250mm喷口处平均径向温度分布梯度约3K/mm,具有线性温度控制功能且稳态控制温差约46K,满足24km、马赫数为6典型高超声速飞行器工况驻点区域高温/大热流密度气动热试验要求.      

侧向喷流与飞行器三维绕流干扰流场特性的DSMC/EPSM数值模拟

采用DSMC/EPSM混合算法,研究了带有侧向喷流的复杂外形高超声速飞行器稀薄区和连续区三维混合流场的干扰特性。采用一种飞行器物面网格与DSMC计算域网格分别标识的方法,通过判断模拟分子与表面碰撞来完成飞行器物面网格与DSMC计算域网格间的信息传递和信息存贮,对于复杂外形飞行器的精确描述的物面网格不需做进一步处理,直接应用于不依赖于飞行器外形的DSMC计算的通用子程序中。引入碰撞数做为混合参数,对流动区域进行划分,并通过网格中碰撞数的统计和处理,有效地将DSMC和EPSM方法结合在一起。仿真计算了三维复杂外形飞行器带喷流流场压力、热流分布量,飞行器表面气动力、气动力矩和气动热参数,对喷流与高超声速空气绕流相互作用以及它们与物面之间的相互扰动进行了分析,证明了采用的方案和技术的有效性。     

高超声速楔形模型飞行流场数值模拟

针对典型的高超声速飞行器结构模型,利用COMSOL Multiphysics多物理场耦合软件对其流场进行建模仿真.研究了楔形头部对高超声速气流的影响,分析了气流流过楔形模型时的流线、压力、温度分布.对不同楔角的模型进行了模拟,观察其对气流速度分布的影响.依据数值模拟的结果对高超声速气流流场的流动特性进行了细节分析.     

高超声速飞行器瞬态热试验

为了进行高超声速飞行器热防护系统的初步设计和数值计算的验证,设计开发了高超声速飞行器瞬态气动加热地面试验系统及其控制软件.试验系统能够根据飞行器的飞行轨迹和外形参数加载瞬态热流,实时测出结构表面的热流值和温度,得到飞行器的表面试验热流曲线和温度曲线.试验系统采用真空舱模拟飞行环境,并为此设计了冷却床,在真空环境下能比较真实的模拟热防护系统的下表面热环境,使瞬态热试验的原理更加合理,精度进一步提高.      

某变循环发动机超声涡轮设计与分析

应用相似理论原理,为某变循环发动机在高、低涵道比两种工作模式下设计了高膨胀比、大焓降超声高压涡轮,叶片造型采用S₁流面三维造型法实现.通过三维数值模拟对设计涡轮在以上两种工作模式下进行了验算,应用Spalart-Allmaras一方程湍流模型求解雷诺平均Navier-Stokes方程,并引入Abu-Ghanam Shaw转捩模型描述叶片表面边界层发展过程.数值模拟结果表明,涡轮在两种工作模式下等熵效率分别达到92.79%和92.31%,优于设计预期;三维造型法考虑了S1流面的物理特征,是一种精确而有效的叶片造型方法.      

旋成体大迎角分离流的Euler方程数值模拟

用三维Euler方程计算旋成体的大迎角绕流,我们发现:亚声速自由流时,计算得到的是无分离流动,与实际的分离流不相符合,因而计算的法向力大大小于有分离的实验值;而当自由流为超声速,且横向自由流M数较高时,由于背风表面出现激波,无粘Euler方程的数值计算能自动捕捉到背风面上的分离涡,计算法向力与实验值接近。为了对亚声速自由流用Euler方程数值模拟大迎角旋成体背风面上分离涡,根据问题的物理图像,在假设的分离线上,提出强加Kutta条件的方法,成功地计算出有分离流动,使计算的法向力与实验值接近。     

Navier–Stokes computation of heat transfer and aero-heating modeling for supersonic projectiles

In supersonic flight, Armor Piercing Fin Stabilized Discarding Sabot (APFSDS) projectiles are submitted to a high level of heating and structural loading. We have developed a numerical approach based on 3-D RANS and 2-D coupled aero-heating/conduction computations in order to understand and predict this severe aero-thermal environment. Experimental external aerodynamic and heating load tests have been conducted in a high speed wind tunnel. Computations were compared to experimental results, semi-empirical formulations and evaluations carried out in similar studies elsewhere. A very close agreement was obtained.     

民用客机电磁散射特性的研究

利用数值方法对民用客机的电磁散射问题进行了研究,相比各种高频方法,应用矩量法(MOM:Moment Method)可以获得精确的数值结果。本文建立了一种幂级数形式的混合域基函数矩量法的通用公式,该混合基函数基于四边形剖分模型,对三维矢量有效地实现了降维处理,并可用来模拟民用客机的探测的散射特性。     

二元高超声速进气道自起动特性试验

为了研究二元高超声速进气道的自起动特性,针对一带前掠侧板的混压式二元进气道,在来流马赫数为4和3.5状态开展了风洞试验,利用反压系统实现了进气道的起动、不起动和自起动过程.分析试验结果可知,进气道在来流马赫数为4和3.5状态均可自起动,但在来流马赫数为3.5,2°攻角状态不能自起动.当反压过大引起进气道不起动时,侧板根部均存在分离包、分离激波并引起溢流.从不起动状态进气道的流场结构看,该二元进气道的不起动属于软不起动,其机理不同于经典的自起动理论.但是试验结果表明,进气道的自起动马赫数仅略低于自起动理论值.当内压段入口马赫数低于2.5时,采用经典自起动理论估算自起动性能仍具有较高的精度.      

考虑孔隙的三维编织陶瓷基复合材料弹性常数预测方法

提出了利用气孔单元并考虑基体孔隙随机分布来预测三维编织陶瓷基复合材料弹性常数的方法.通过工业computed tomography(CT)扫描技术测得孔隙率,在胞元模型中利用Monte-Carlo仿真技术在基体上随机投入气孔单元来模拟三维编织陶瓷基复合材料中的孔隙,利用胞元有限元模型计算了孔隙率对三维编织陶瓷基复合材料弹性常数的影响规律.结果表明:①孔隙率对三维编织陶瓷基复合材料弹性常数具有明显的影响;②对给定的孔隙率,孔隙的位置分布对沿纤维束方向弹性模量的影响较小;③随着孔隙率增加,沿纤维束方向弹性模量降低.同时,开展了SiC/SiC复合材料的室温拉伸试验,弹性模量计算值和试验结果吻合较好,表明该方法可以用来预测含孔隙的三维编织陶瓷基复合材料的弹性常数.      

Measurements, visualization and interpretation of 3-D flowsapplication within base flows

Experimental investigations of the flow field in the near-wake of axisymmetric afterbodies at an angle of attack of 5° are reported. Models consists of a cylindrical afterbody and a conical boat tail. Measurements were performed by means of a 3-D frequency-shifted laser Doppler velocimeter at a free stream Mach number of 0.5. The tremendous increase of quantitative information obtained with this diagnostic technique raises the problem of reducing and displaying the data in a way that avoids large amounts of numbers and curves that are not easy to interpret. An attempt is made to visualize and to describe velocity characteristics in the form of a 3-D graphic representation     

T型尾翼颤振模型光学测量实验与弯扭特性解算

在FL-26跨声速风洞半模试验段进行了某高速飞机T型尾翼颤振模型的光学测量实验,并依据测量结果解算了尾翼颤振模型的弯扭特性。颤振模型表面用白色圆点进行标记,用于记录模型表面的位移变化,两台固定在风洞试验段上壁板观察孔旁肋板上的400万像素工业相机用来采集图像,采集到的图像通过自主开发的图像解算软件进行图像的识别与求解,计算出尾翼颤振模型表面标记点的三维坐标。模型表面标记点的三维坐标通过坐标变化转换到风洞气流坐标系中,利用不同时刻模型表面坐标的变化计算模型剖面扭角和弹性轴位移的分布。T型尾翼右平尾图像采集实验与弯扭特性计算结果表明,非接触光学测量技术可以用于高速颤振试验的定量分析中。     

基于壁面射流理论的直通篦齿透气效应的修正

分析和归纳了几种直通篦齿泄漏量工程算法的特点,在自由射流理论Vermes算法的基础上考虑壁面效应即运用二维壁面射流理论推导了直通篦齿透气效应残余动能因子,并与Vermes算法和数值模拟计算结果进行了对比.结果表明:篦齿齿腔内的射流流动为典型的壁面射流扩散过程,主流流速分布具有自相似性;采用二维壁面射流理论计算得到残余动...