基于二维激光支持爆轰波模型的光船工作过程数值模拟

以Raizer建立的一维激光支持的爆轰波模型为基础,根据激光推进中焦点区内入射激光强度的分布情况,建立了二维激光支持的爆轰波模型。在相同的激光入射功率下,分别采用球面激光支持的爆轰波模型、球冠激光支持的爆轰波模型和二维激光支持的爆轰波模型与流场控制方程组进行耦合求解,探讨了焦点区内激光强度分布不同时的光船推进性能。结果表明,在吸收相同激光能量的条件下,三种模型所得推力曲线和冲量耦合系数在误差范围内均吻合,说明能量在焦点区的分布对光船推进性能的影响不大。     

抛物型激光推进光船构型设计与特性分析

以轴对称Navier-Stokes方程组为基础,将球面激光支持的爆轰波模型与流场控制方程组进行耦合求解,数值模拟了抛物型激光推进光船的工作过程。计算中对激光支持的爆轰波阵面进行实时追踪,以获得激光能量吸收源项,同时采用Gupta建立的高温平衡空气模型来计算工质的热力学参数和输运特性。并用所发展的数值模拟程序研究了不同构型设计光船的推进性能。最后分析了流场流动特性和推力生成机制。结果表明,推力面离焦点距离越近,光船获得的冲量耦合系数越大,而峰值推力越小。     

高速铁路全封闭声屏障列车压力波和微气压波数值模拟研究

利用Fluent动网格技术,对高速列车通过圆形全封闭声屏障产生的压力波和出口微气压波开展数值模拟研究.研究结果表明:列车通过圆形全封闭声屏障时,声屏障壁面风压变化过程与压缩波和膨胀波的产生、传播及反射有关,压缩波传播到壁面测点时压力上升,膨胀波传播至壁面测点时,压力下降;在声屏障横截面上,靠近列车的测点压力极值大于远离列车的测点压力极值,最大差异量达到28％;声屏障壁面压力变化幅值、车头鼻尖压力最大值与车速的二次方近似呈正比关系;与隧道结构类似,列车以较高的速度通过声屏障时,将在声屏障出口产生微气压波,微气压波的极值随着到出口的距离增大而迅速降低,并与列车速度的三次方近似呈正比关系.     

非预混条件下的旋转爆轰燃烧室双波头演化过程数值模拟

针对旋转爆轰燃烧室双波头演化过程中流场结构变化的问题,对非预混条件下的旋转爆轰燃烧室从起爆到形成稳定的双波头过程进行了数值模拟研究。研究结果表明,从起爆到形成稳定爆轰过程,燃烧室主要经历了起爆、爆轰波对撞和稳定爆轰三个阶段；在爆轰波对撞阶段,首次对撞是两个爆轰波间的对撞,由于对撞点处缺少新鲜混合气,从而在对撞结束后衰减为两个压力波。第二次对撞是两个压力波间的对撞,因为在第二次对撞点附近存在新鲜混合气来支撑爆轰波的持续传播,故对撞结束后产生了一个爆轰波和一个较弱的压力波；第二次对撞发生后,燃烧室内的压力波反射叠加并形成局部高压区,此高压区压缩气体使气体温度升高,高温气体引燃混合气后,最终发展成为第二个爆轰波；稳定阶段,两个爆轰波均能稳定自持传播,爆轰波峰面压力可达1.45MPa,波后温度为2500K,爆轰波速度稳定在1738m/s,产生的推力与比冲分别为79.76N和2312.15s；斜激波的存在使燃烧室出口平面流场产生了较大波动。      

激光支持爆轰波的仿真研究

采用了爆轰波的C-J起爆模型,计算了激光支持爆轰波初始参数,得到激光功率密度与爆轰波波面初始参数的关系.利用流体力学的方法建立爆轰渡在靶与约束层双重约束作用下的二维辐射膨胀模型,用Fluent软件进行仿真研究,得到了激光冲击强化后不同时间对应的爆轰波压力和轴向速度分布,仿真结果与激光冲击强化GH742试件后表面残余应力分布的实验结果一致.     

水下爆轰燃气泡形态与激波传播过程研究*(爆震专刊)

针对脉冲爆轰发动机在水下工作过程中形成的燃气射流问题,搭建了水下爆轰燃气实验系统,研究了第一个爆轰循环在水下的燃气泡发展变化过程。建立了基于气液两相双流体模型的脉冲爆轰发动机水下喷射模型,采用时-空守恒元和求解元方法,模拟了爆轰波退化为激波在水中的传播及衰减过程。研究结果表明：燃气泡前期受外界水环境阻滞作用呈现“豌豆状”形态,充分发展阶段气液交界面逐渐失稳,在达到最大尺寸后开始收缩并在中心轴线位置出现凸出的射流；水下爆轰燃气射流发展过程中同时存在脱离燃气泡的水中前导激波和管口燃气泡内的高压区两部分,水中前导激波在传播过程中压力迅速衰减至常压量级,而管口燃气泡内则一直保持较高压力；中心轴线区域气液交界面处反射激波的回传使管口附近出现回击现象,并导致前导激波波阵面上压力峰值逐渐出现在30°方向上。     

吸气模式激光推进空气等离子体光谱

利用实验室自行研制的紫外预电离CO2激光器进行了激光等离子体实验,实验采用底面直径均为60mm,焦距分别为5 mm和10 mm的两种抛物面光船。介绍了激光等离子体光谱和明显的特征谱线,以及激光等离子体温度估计模型;分析了两种光船对激光等离子体的影响。实验表明:相同底面直径10 mm焦距光船产生的等离子体信号峰值和持续时间均略大于5 mm焦距光船;10 mm焦距光船产生的等离子体温度明显高于5 mm的,最大温度产生时间比5 mm光船要晚一些。     

光束扩展、光船倾斜和漂移对光船自由飞行演示的影响

为了研究光船的地面演示自由飞行试验中激光束扩展、光船相对激光束的倾斜和漂移等因素对光船飞行高度的影响,采用了理论分析和数值模拟相结合的方法。分析表明,激光束的扩展将导致光船接收激光功率的减小,光船相对于光束的倾斜会影响激光的聚焦和光船推力方向,但光船的倾斜力矩不会在飞行过程中累积而使光船倾斜过大,而光船的漂移则会改变光船推力以及侧力的大小。光船飞行数值模拟仿真表明,在横向偏移扰动下,光船在没有达到最大可能高度之前将脱离光束从而失去动力。研究结果显示,减小光船的横向偏移和激光束的发散角可以有效提高光船垂直上升的高度。     

聚焦角度对空气中激光维持爆轰波的影响

吸气式激光推进的激光能量沉积过程主要发生在激光支持的爆轰波（LSD波）的形成与演化阶段,分析LSD波的传播规律和影响因素对揭示能量沉积机理起到基础性作用。利用纳秒四分幅高速相机和延长光路的纹影系统,拍摄了不同聚焦角度下CO₂激光经透镜聚焦击穿空气流场的纹影照片,结合一维理论公式分析了LSD波速度。结果表明：在本文的实验条件下,吸气式激光推进击穿空气经历了LSD波和激光支持的燃烧波（LSC波）两个阶段, LSD波阶段的持续时间约7.1 μs;3种聚焦角度下LSD波速度与理论公式预测的整体趋势比较吻合;聚焦角度越小,LSD波的初始速度越大,聚焦角度θ=4.29°时实验数据达到约14 km/s。     

激光参数对光船性能影响分析

采用三温度11组元热化学非平衡空气模型计算了激光能量在等离子体中的沉积过程,并在激光脉冲作用结束8 μs后采用平衡空气模型,完成激光推进光船工作过程的数值模拟,研究了不同入射激光能量和脉冲宽度对光船推进性能的影响。结果表明:当脉冲宽度相同时,入射激光能量越大,所得冲量耦合系数越大;当入射激光脉冲能量相同时,脉冲宽度越小,所得冲量耦合系数越大。将计算所得冲量耦合系数与Schall实验所得结果进行比较,结果非常吻合。     

反射激波作用下重气柱界面演化的PIV研究

在水平激波管中采用PIV方法研究了反射激波作用下SF6重气柱界面的发展演化。采用射流方法形成SF6无膜气柱界面,并以乙二醇作为示踪粒子。利用连续激光片光源结合高速摄影相机对流场进行显示,得到了反射激波作用下SF6气柱界面的发展过程。结果表明,入射激波的冲击会在界面上产生反向旋转的涡环结构,而反射激波的作用会在界面上产生与初始涡环旋转方向相反的次级涡环结构。此外,对反射激波作用后的流场图像进行PIV后处理,获得了流场连续的速度场和涡量场。获得的环量与已有的理论模型进行比较,取得了较好的一致性,也验证了本文实验方法的可行性。     

动态微涡流发生器对激波/边界层干扰的影响研究

本文基于OPENFOAM数值仿真平台,采用动态网格技术和湍流离散涡(DES)模型,研究了微涡流发生器以一定速度向下游移动时,激波/边界层干扰(SWBLI)流场特性的变化,重点关注干扰区域内的流向和展向的流场特性。来流马赫数为4,微涡流发生器向下游移动速度为0m/s,20m/s和40m/s。研究表明：当MVG向下游移动时,SWBLI区域的“弓”形高压区会演化成“双弓”形；入射激波形成高压区的压力明显降低,同时,入射激波和反射激波形成高压区的峰值位置均会向下游移动；流场下游 “双圆弧”状高压区的高度逐渐降低；SWBLI区域边界层的高度逐渐降低,同时边界层底部的速度也有所降低；随着MVG移动速度的增加,对SWBLI流场的控制效果更加明显；动态MVG对流场的控制是通过尾迹涡和波系结构实现的。     

轴向长度对旋转爆震发动机的影响

采用9组分19步基元反应模型,不考虑黏性、热传导和扩散效应等对流动的影响,对以氢气和氧气为反应混合物的旋转爆震发动机内流场进行计算,研究轴向长度对发动机性能的影响.研究表明:在一定范围内轴向长度对发动机比冲影响很小,轴向长度过长时会降低发动机比冲.轴向长度对爆震波的压力形成影响很大,轴向长度过小时,爆震波压力不高,过大时,会导致斜激波压力衰减.随着轴向长度的增加,由于膨胀的作用,出口的压 力不断降低,轴向长度为200mm时,出口的平均速度最大,此时发动机比冲也达到最大值;周向速度明显减小,降低了周向速度对发动机的不利影响;推力密度峰值逐渐下降;激波前后密度差逐渐减小,这使发动机的推力偏心矩也不断降低,从而可有效地减小角散布等不利影响.      

300M钢激光熔覆耐磨防腐自润滑涂层温度场数值模拟研究

为了提高飞机起落架减震支柱300M超高强钢的抗磨性能,突破由于温度梯度过大诱发的激光熔覆耐磨防腐自润滑涂层裂纹等技术瓶颈,基于ANSYS软件的生死单元法编制热循环程序,考虑自润滑相和耐磨相材料热物性参数随温度的变化、相变潜热、激光熔覆过程中与外界的换热、激光熔覆功率、激光熔覆扫描速率等因素对激光熔覆过程温度场、熔池、温度梯度的影响,建立300M超高强钢激光熔覆耐磨防腐自润滑涂层温度仿真模型。结果表明:基体的熔化需要激光、熔化的粉末等综合作用使传导到该区域的有效能量达到熔化的临界值,熔化高度增加率随激光功率的增加先降低后增加,熔化高度减少率随激光扫描速率的增加先变小后变大;由于激光熔覆的不同区域温度、冷却速率差异等综合因素影响,熔覆层熔池的纵截面为勺状熔池;伴随激光功率的增加,由于熔覆层不同区域对能量输入产生的温度响应速率差异导致Z方向温度梯度值增加,且最大冷却速率增加;伴随激光扫描速率的增加,激光输入能量降低,降低了高温区域温度及激光的快速局部加热等综合影响,Z方向温度梯度值降低。通过调控激光参数,在保持熔覆层结合强度的条件下,基体熔凝区能被控制到最小,并能够降低温度梯度。     

D300mm×3420mm圆管内旋转流流场的LDV实验测量

利用激光多普勒测速仪（LDV）对直径D300mm×3420mm圆管内的旋转流场进行了实验测量,重点测量切向速度与轴向速度的分布以及湍流强度分布。测量结果表明圆管内的旋转流是Rankine涡结构形态,旋转流强度沿轴向存在着明显的衰减特性,且最大切向速度的径向位置沿轴向逐渐向内移动,即由上游的刚性涡逐渐向下游的准自由涡和刚性涡组合过渡;轴向速度的分布存在着很大的不均匀性,在r=0．5R区域存在一个轴向速度的低速区,甚至出现上行,但在轴向位置z〉10R后轴向速度全部向下,并向均匀分布发展;圆管内的切向湍流强度比轴向湍流强度大一倍,两者的湍流强度在准自由涡区径向分布比较平均,中心刚性涡区域的湍流强度比较高,而且随轴向位置的变化衰减不明显。     

二维凹面腔内暂冲式激波聚焦机理的实验

针对两级脉冲爆震发动机中第二级凹面腔内激波聚焦起爆能量和周期的研究,设计了二维凹面腔内暂冲式激波聚焦实验系统。通过分析粒子图像测速系统捕捉的照片和动态压力数据,获得了凹面腔内激波聚焦高压区压力特性和多循环流场演化特征。并且开展了A和B两种型面凹面腔的对比实验,进一步分析了多循环激波聚焦的形成机理。结果表明:入射激波第一次在凹面腔底部聚焦后形成的聚焦反射激波在喷口射流边界上发生反射,产生的反射激波再次在凹面腔底部聚焦,形成了第二次激波聚焦,如此往复便形成了周期性的激波聚焦,聚焦频率高达7~10kHz;并且,速度场和射流强度随入射激波碰撞而减弱,在排气过程中又增强,呈现周期性变化。      

激光引致水诱导空气击穿所获无约束流场演化过程的实验研究

流场演化过程是揭示激光推进机理的重要研究内容之一。利用纹影系统和PCO-HSFC 高速相机,首次拍摄了自来水诱导CO₂激光击穿空气产生的激波向空气和水中的演化过程。阐述了产生两次气蚀空穴的原因：初始时刻产生的空穴为激波作用于水面所致,第二次空穴出现在相机被触发后约8 μs 时,是激光烧蚀水蒸气作用于水面所形成的低压区。实验结果表明：击穿后流场向激光入射方向（空气中）演化较快,激波初速度较大,约为6 km/s;流场向水中演化相对较缓,激波初速度约为3.33 km/s。两者都服从指数衰减,分别在约73.368 μs 和41.649 μs 时衰减到声速。研究结果对于把水作为工质应用于激光推进有一定意义。     

超声速膨胀角入射激波/湍流边界层干扰直接数值模拟

为了揭示膨胀效应对激波/湍流边界层干扰区内复杂流动现象的影响规律,采用直接数值模拟方法对来流马赫数2.9、30°激波角的入射激波与10°膨胀角湍流边界层相互作用问题进行了数值研究。系统地探讨了激波入射点分别位于膨胀角上游、膨胀角角点和膨胀角下游3种工况下膨胀角干扰区内若干基本流动现象,如分离泡、物面压力脉动及激波非定常运动、湍流边界层统计特性和相干结构动力学过程等。结果表明,激波入射点流向位置改变对分离区流向和法向尺度的影响显著,尤其是当激波入射点位于角点及其下游区域。研究发现,膨胀角干扰区内物面压力脉动强度急剧减小,分离区内压力波向下游传播速度将降低而在膨胀区内将升高,膨胀效应极大地抑制了分离激波的低频振荡运动。相较于入射激波与平板湍流边界层干扰,入射激波流向位置改变对膨胀角再附区速度剖面对数区及尾迹区影响显著,将导致其内层结构参数升高而外层降低,近壁区内将呈现远离一组元湍流状态的趋势。此外,流向速度脉动场本征正交分解分析指出,主模态空间结构集中在分离激波及剪切层根部附近而高阶模态以边界层内小尺度正负交替脉动结构为主。低阶重构流场结果表明,前者对应为分离泡低频膨胀/收缩过程而后者表征为分离泡高频脉动。     

天然气预混湍流燃烧特性的实验

为了获得天然气的预混湍流燃烧特性,在湍流燃烧弹中对天然气在当量比范围为0.7～1.4、初始压力范围为0.1～0.3 MPa、初始温度范围为300～400 K、湍流强度范围为1.0～2.7 m/s条件下的预混湍流燃烧火焰发展特性进行了试验测试,并分析了当量比、湍流强度、初始温度、初始压力对天然气湍流火焰传播速度、火焰褶皱比以及湍流燃烧速度的影响。结果表明：湍流火焰传播速度随着当量比的升高先增加再降低,在当量比为1.1时达到最大,并且随湍流强度与初始温度的升高而升高,但随初始压力的升高变化不明显。火焰褶皱程度随湍流强度与初始压力的升高或当量比与初始温度的降低而逐渐增强。湍流燃烧速度随当量比的升高先升高后下降,在当量比为1.1时达到最大,并且随湍流强度、初始温度与初始压力的升高而逐渐升高。