三维超声速流动的压力反问题

为了进一步探索三维超声速流道的设计方法,采用一种预设壁面压力分布计算壁面型线的思想,并结合双特征线方法提出一种全三维超声速流动压力反问题的求解方法。在三维超声速流场设计中,可直接根据来流条件和壁面压力分布求解壁面的三维坐标,通过空间步进的方式,使得解在一系列解平面上推进,从而使得所设计的型面与预设的壁面压力分布相容。通过Prandtl-Meyer膨胀波的理论解验证了该格式的设计精度。根据预设的压力分布,设计了圆形和椭圆形入口的三维超声速喷管,并将设计方法与数值模拟进行对比验证。验证结果表明:所设计的流场与CFD计算得到的等值线符合得较好,因此基于双特征线的压力反问题求解方法具备三维超声速气动设计的能力,并具有纯三维、高精度、壁面压力分布可控的优势,对未来高超声速气动设计应用将起到重要的支撑作用。     

基于特征线追踪的气动反设计

随着当今飞行器飞行速度的提高,三维超声速内流道的设计需求日益增加。提出一种基于特征线追踪的气动反设计方法,以解决三维超声速粘性流场设计问题。为了验证特征线追踪方法的设计能力,将其应用于二维超声速喷管和三维方转圆流道设计中。结果表明,设计所得流道内部不存在集中的膨胀波和压缩波,获得了流动均匀的菱形试验区,出口处马赫数误差低于0.5%。特征线追踪方法能够直接设计超声速粘性流场,避免了传统的边界层修正技术引入的设计误差,实现了既能满足预设流场参数分布,又能保证入口和出口形状的三维异形截面超声速流道设计。     

膨胀规律可控的轴对称基准流场设计方法

为了提高流线追踪喷管设计方法的灵活性，从推力和力矩两方面考虑，引入特殊中心体，探索了壁面膨胀规律可控的轴对称基准流场设计方法.设计过程中利用特征线理论（MOC）实现了由膨胀规律求解气动壁面的反设计.针对基准流场的主要设计参数，包括膨胀规律、中心体及斜倾角等进行了参数化研究，得到了设计参数对基准流场结构及性能的影响规律.利用该基准流场，设计了矩形截面的流线追踪喷管(导出喷管)，并进行了分析.结果表明:利用特征线理论可以实现膨胀规律到壁面的反设计；在进口参数和落压比一定的条件下，存在一定的膨胀规律使得基准流场的内推力最大；流场的中心体尺度和长度比对推力影响很小，可作为调整导出喷管力矩的设计参数；出口斜倾角增大会导致基准流场的长度减小，同时推力下降明显，设计时应综合考虑.      

三维曲面激波反问题的参考平面解法

为了进一步探索三维超声速气动反问题的求解方法,从降维的三维特征线方法出发,推导出适用于参考平面法的特征方程和相容方程,并提出曲面激波反问题的求解方法。该设计方法可以把三维流场切为多个横截平面。在参考平面内,通过局部迭代求解准二维的特征方程和相容方程;在垂直于参考平面方向,通过引入整体迭代法来确定解面上的交叉导数,使结果达到二阶精度。采用泰勒-麦科尔流动和斜激波关系式验证了该设计方法的精度,其中压力的相对误差分别为1.3×10~(-3),6.1×10~(-5)。为了进一步验证设计方法的可靠性,设计了在3°来流攻角情况下,产生圆锥激波的三维型面,并采用商用软件Fluent验证所设计的三维构型。对比结果表明:所设计的流场与CFD数值模拟结果符合得较好,且流场参数最大误差不超过2%。     

基于三维特征线理论的曲面激波流场反设计方法

激波流场反设计技术是高超声速乘波布局设计领域的核心技术之一。为了克服传统吻切理论在设计全三维曲面激波流场时的缺陷,本文提出了一种基于三维特征线理论的设计方法。该方法构造了一种包含四条马赫线和一条流线的三维基本单元,发展了用于设计曲面激波流场的阵面推进方法及并行加速方法。通过对Euler方程中微分算子进行特征分解,重构了流场的控制方程,并提出了适用于求解该控制方程的Tikhonov-Lagrange拟合法,实现了三维流场的稳定求解。利用提出的设计方法,分别对高马赫数圆锥激波流场、椭圆锥激波流场、小攻角来流下的圆锥激波流场及由Bezier曲面描述的一般性曲面激波流场算例进行了设计,并与数值模拟结果进行了对比。计算结果表明,当前设计方法实现了对横向压力梯度及攻角引起的三维流动效应的合理求解,其中典型截面的壁面压力及马赫数分布与数值模拟结果相比误差分别小于0.3%和1.7%,且具有较高的并行效率。该设计方法拓展了特征线理论在全三维激波流场反设计领域的应用范围,在高超声速全三维乘波布局设计领域具有重要发展前景。     

圆形截面超声速流道三维消波过程中的压力传播与几何变形

为了研究圆截面超声速流道因局部变形而导致的消波不完全问题,该问题涉及到马赫波的三维相交、反射、聚焦及耗散作用,采用所提出的特征线消波技术,设计了壁面存在局部高/低压区的圆截面超声速消波流道;以此来探索压力波在超声速圆管中的聚焦和三维传播、消波过程中圆截面流道的变形特性、压力波与壁面变形的耦合作用、以及多扰动源产生压力波的相交过程。通过分析消波流道的流场结构,可以发现:在局部高压区下游,出现压缩波与膨胀波的马赫锥相互嵌套的三维传播形式;圆弧壁面对压力波有聚焦作用。根据消波过程中壁面的变形可以发现:壁面变形主要沿扰动源下游发展,波形沿流向不断增大而不能回归原型,即呈现发散趋势,展现了流动的非线性。采用压力的均方差对流场的均匀性进行评估,发现:弱压力扰动的流场可进行线性叠加;沿着流向扰动范围扩大,峰值减小,避免汇聚成强扰动。     

带侧向膨胀的三维非对称喷管设计和性能分析

针对带侧向膨胀的三维矩形截面非对称喷管,提出了一种基于准二维特征线法的喷管设计方法,获得了基于准二维特征线法的非对称喷管设计程序.然后,根据给定的几种侧向膨胀规律,通过该设计方法获得了相应的非对称喷管构型,并将该构型与通过优化算法获得的最优构型进行了比较,结果表明:两种方法所设计的非对称喷管的上、下壁面型面基本重合,喷管壁面压力分布趋势基本一致,验证了准二维特征线法的可靠性.与最优构型的性能相比,该方法所设计的喷管构型,推力偏差低于0.60%,升力偏差低于8.07%,且该设计法将设计耗时由30.5h减少到2h,可方便地应用到带侧向膨胀喷管的初期设计中.      

超声速短化喷管的设计与实验研究

利用Bézier曲线构造轴向马赫数分布,采用特征线方法计算喷管壁面型线,结合跨声速理论,提出了一种实用的短化喷管设计方法。对设计制成的喷管进行流场校测,并与数值模拟的结果进行比较分析,结果表明:喷管内部膨胀均匀,出口流场品质很好,可用于超声速风洞以及其它对流场品质有较高要求的应用场合。     

三维内转式进气道双激波基准流场的设计方法

探索了一种三维内转式进气道基准流场的设计新思路,基准流场由特征线方法设计的曲面压缩系统组成,包含一道入射激波和一道末端激波,消除了激波在内通道的连续反射。通过数值模拟对该设计思路进行了验证,结果表明:该双激波轴对称基准流场,前缘激波和末端激波入射位置与设计吻合,末端激波入射在肩点且完全实现消波;特征线计算获取的外壁面马赫数分布和CFD结果吻合较好;经过设计,在喉部截面上流动参数比较均匀,总压恢复系数达到0.91;无粘条件下流线追踪进气道完全继承了基准流场的流动特征,流量捕获系数0.999,喉道总压恢复0.88,与同设计条件流线追踪Busemann进气道相当。     

基于壁面压力分布的单边膨胀喷管反设计及试验验证

针对目前单边膨胀喷管(Single expansion ramp nozzle:SERN)设计方法的缺陷,提出了通过指定壁面压力分布规律来反设计喷管型线的方法,获得了膨胀面型线反设计程序。根据给定的最优壁面压力分布反设计了喷管型线,将该喷管与最大推力喷管进行了性能对比研究,并对该喷管进行缩比冷流试验,试验和数值模拟结果吻合很好。结果表明:在设计点,相比于最大推力喷管,该喷管的轴向推力系数比最大推力喷管只降低0.07%,而升力和俯仰力矩分别提升了23.08%和2.82%,验证了设计思想的正确性,为SERN的设计提供了一种高效而新的设计方法。