JF-12激波风洞在火星进入环境下的运行特性

火星探测是目前国际深空探测的热点,而火星着陆是火星探测的关键技术之一,火星着陆器发展中面临的一个严峻的挑战是其气动环境远远不同于地球大气的空气。然而,现阶段大多数地面试验设备都是以空气为试验气体来设计的,而不是火星大气的CO₂。本文利用高温热化学反应流动数值计算技术,对JF-12反向爆轰驱动激波风洞在火星进入环境下（主要气体成分是CO₂）的运行特性进行了计算模拟,通过调整激波管中驱动/被驱动气体的初始参数和高/低压段的截面积比,来模拟其中的波系产生、传播过程以及反射激波与接触面的相互作用机制。研究发现,相同情况下驱动CO₂的缝合激波马赫数要明显高于空气,通过减小驱动气体的声速和低压段的直径,可以在驱动CO₂时获得驻室压力稳定的试验气体。     

高焓激波风洞爆轰驱动技术研究

激波风洞爆轰驱动技术利用引爆可燃混合气体快速释放的化学能产生强激波,压缩激波管的试验气体,提供产生超高速流动所需的试验气源,是近十几年来发展成功的激波风洞强驱动方法.本文分布介绍了反向爆轰驱动、正向爆轰驱动和反向爆轰膨胀驱动模式,分析了应用这些驱动技术产生的高焓、高雷诺数、高超声速流动的气源特点,探讨了不同驱动模式影响激波风洞性能的关键因素.并重点介绍了反向爆轰膨胀驱动模式,分析了影响缝合条件的参数以及二次波现象.应用这些爆轰驱动技术,研制了能够产生总焓为1000K～8000K,具有较长试验时间的高品质超高速气流.为开展高超声速气动实验研究奠定了良好的基础.     

激波聚焦引燃可燃混合气体的实验研究

在94mm×94mm方截面激波管上,入射激波马赫数为1 60～1 95内开展了汽油/空气可燃混合气体在激波聚焦方式下的点火实验。当汽油/空气混合比处于化学恰当比附近,激波马赫数为1 69～1 95的激波聚焦能够成功地引燃汽油/空气的可燃混合气体,而当入射激波马赫数低于1 69时,同样条件下的汽油/空气混合气体不能被点燃。流场的纹影照片显示,与未燃状态相比,汽油/空气可燃混合气体被引燃后的反射激波波面变宽。     

激波加热超声速燃烧室直连式试验台喷管中的化学非平衡流动

为了开展飞行马赫数8和9的超燃冲压发动机直连式试验研究,将中国空气动力研究与发展中心的FD-14激波风洞改造成了激波加热超声速燃烧室直连式试验台。设计了两组喷管,喷管出口马赫数为3.5和4.5,分别用于模拟飞行马赫数8和9的超燃冲压发动机燃烧室入口气流条件。采用Park、Gupta、Dunn/Kang三种纯空气化学反应动力学模型,对马赫数3.5及马赫数4.5喷管中的化学非平衡流动进行了数值模拟研究,并对三种纯空气化学反应模型进行了比较分析。研究结果表明:在喷管收缩段,N_2和O_2的离解效应显著,而在喷管扩张段,N原子和O原子的复合效应更加显著;马赫数3.5及马赫数4.5喷管出口的NO摩尔分数分别为2.3%～2.57%和4.8%～6.0%,O原子摩尔分数分别为0.04%～0.11%和0.75%～1.25%,N原子摩尔分数几乎为零;在喷管扩张段,流动为典型的"冻结流";三种化学反应模型中,采用Gupta模型时O_2和N_2的离解程度最大,相应生成的NO及O原子含量更高,但是三个反应模型计算获得的各个组分在喷管内部及喷管出口截面的分布规律是一致的。     

高焓激波风洞试验技术综述

高焓激波风洞是研究高温真实气体效应主要的地面模拟设备,基于高焓激波风洞发展的试验技术主要包括驱动技术、流场检测技术和测试技术。决定试验段所能达到的总焓和总压水平的驱动技术,主要包括变截面驱动、多段驱动、轻质气体驱动和加热轻质气体驱动;高焓激波风洞驻室温度高,导致激波管末端和喉道等内流道产生烧蚀并对流场带来污染,并且在高温条件下气体分子发生离解甚至电离,导致试验分析困难;确定试验段自由来流参数和有效时间以及污染气体推迟的流场检测技术,是开展风洞试验的前提条件;高焓激波风洞总焓和总压高,有效试验时间毫秒量级,对测试技术提出了更高的要求。本文综述相关技术的研究进展,重点介绍了气动热/气动力以及流场物理化学参数的测试技术,指出进一步的技术发展方向,以期为大型高焓激波风洞的发展与应用提供参考。     

振动温度的激波管测定

根据双原子分光带系及其强度理论，介绍了测定振动温度的原理及方法，同时，利用激波加热试验气体的方法，得到氧化铝分子绿带系（Ｂ＾２Σ＾＋－Ｘ＾２Σ＾＋）的全部光带，通过氧化铝分子绿带光带强度的测定，得到在激波马赫数为１０时，反射激波后气体的振动温度约为５２００Ｋ。     

耦合传热下激波对超声速气膜冷却影响

针对离散孔式超声速平板气膜冷却，在主流区引入楔角形成激波环境，以研究激波与超声速气膜之间的相互作用。通过计算楔角在0°、15°、20°和25°产生的四种激波强度下，超声速气膜与高温壁面的耦合传热。所得结果表明：适当强度的激波能够抑制气膜入射后产生的反向涡旋对，降低主流对气膜的卷吸，增大壁面平均H2摩尔分数并降低壁面温度。对金属层温度场的分析表明，壁面冷却效果随着激波角的增加而先增加后降低，其中楔角为20°时的流场结构最有利于壁面温度保护。小楔角生成的激波在低冷流马赫数下对冷却效果的改善更明显，大楔角则在高冷流马赫数下更明显，热障涂层（TBC）不影响这种变化趋势；激波的存在削弱了TBC的影响范围。可以揭示超声速气膜在耦合传热条件下的传热机理，为超声速气膜冷却的设计提供参考，或为现有超声速气膜冷却结构的优化提供依据。     

扩张激波管流动波图观察

等截面激波管的计算方法已发展得很完善。为了获得强激波,经常采用“收缩”激波管,它的驱动段截面大于被驱动段,夹膜处加上收缩喷管作过渡。在低密度气体研究或激波强度不高而又要求大的被驱动段的场合,为了节省驱动气体用量,则常选用“扩张”激波管。其驱动段截面小于被驱动段,两者通过扩张喷管相接。对于缝合分界面运行的     

污染空气对氢燃料超声速燃烧室性能的影响

采用纯净空气和污染空气来流下对比试验的方法,研究了飞行马赫数4条件下H2O和CO2污染组分对氢燃料超声速燃烧室性能的影响。对比试验中针对纯净空气来流和污染空气来流匹配了来流总温、总压、氧气摩尔分数和当量油气比。完成了0.53和0.42两种当量油气比条件下纯净空气来流和污染空气来流的氢燃料超声速燃烧试验,预定考察的H2O污染组分摩尔浓度分别有7.5%,18%和26%三种,CO2污染组分浓度有3.0%和7.5%两种。研究结果表明,H2O,CO2或H2O+CO2组合污染对燃烧诱导压升产生了明显的非线性抑制影响,直接将污染试验空气来流下的试验结果外推应用到飞行条件,可能导致供油量偏大、甚至进气道不启动;同时也影响了隔离段内燃烧诱导激波链结构,使燃烧工作模态趋向于超燃模态。     

用热流探针测量激波速度

激波速度测量是激波管和激波风洞运行状态的一个重要参数,压电传感器或光学方法测速系统成本高,而传统电离探针在激波马赫数较低、波后温度达不到空气电离程度的情况下无法满足实验要求。提出了一种使用同轴热电偶作为测速探针来测激波速度的方法,弥补了电离探针在激波马赫数较低时的不足。介绍了同轴热电偶探针测速原理,并设计了测量激波速度的系统电路。通过信号放大电路锁定激波冲激信号,触发脉冲信号发生电路,实现了一种单通道、多测点的激波风洞测速系统。分别开展以温度与热流为触发信号的风洞实验,结果表明只有使用热流信号才能满足激波测速的时间要求。     

Influence of shock attenuation on tailored operation in free piston shock tunnels

The free piston shock tunnel is a type of shock tunnel with high performance. For this type of tunnel, the influence mechanism of shock wave attenuation on tailored operation is explored by numerical simulation and theoretical analysis. By introducing the normalized velocity, the simple constraint equation for shock wave under the tailored operation is deduced. Moreover, the real gas effect is also taken into account in this equation. Based on the equation, the tailored operation of shock tunnels can be predicted with very few calculations. The present study shows that the change rate of the thermodynamic state of the gas behind the shock wave is inconsistent with the attenuation rate of the shock wave, which is the fundamental reason why the wind tunnel achieves tailored operation at a lower Mach number of shock waves. This lower Mach number of shock waves differs from the corresponding ideal value by a factor, which is about the square root of shock attenuation rate.     

振动激发对激波反射的影响

定常激波反射分为规则反射和马赫反射,在不同条件下2种反射结构之间会相互转变。高超声速流动中的激波反射问题常面临高温气体效应,随着温度逐渐升高,最先出现的是空气分子振动激发。通过理论分析和定量计算,研究了振动激发对激波反射及其转变规律的影响。首先给出考虑振动激发的空气热力学模型,并分析其与量热完全气体的差异以及对激波关系的影响;接着分析在规则反射和马赫反射中,振动激发对激波反射流场的影响规律;最后讨论振动激发对激波反射转变2个准则点的影响。研究结果表明,振动激发使激波极线的整体轮廓变大,且这种差异在经过一次激波反射之后被明显放大,会对激波反射的流场产生重大影响;对于激波反射的转变,振动激发使转变的2个准则点都变大,且对规则反射向马赫反射转变的脱体准则影响更大。     

Stagnation temperature effect on the conical shock with application for air

The aim of this work is to realize a new numerical program based on the development of a mathematical model allowing determining the parameters of the supersonic flow through a conical shock under hypothesis at high temperature, in the context of correcting the perfect gas model. In this case, the specific heat at constant pressure does not remain constant and varies with the increase of temperature. The stagnation temperature becomes an important parameter in the calculation. The mathematical model is presented by the numerical resolution of a system of first-order nonlinear differential equations with three coupled unknowns for initial conditions. The numerical resolution is made by adapting the higher order Runge Kutta method. The parameters through the conical shock can be determined by considering a new model of an oblique shock at high temperature. All isentropic parameters of after the shock flow depend on the deviation of the flow from the transverse direction. The comparison of the results is done with the perfect gas model for low stagnation temperatures, upstream Mach number and cone deviation angle. A calculation of the error is made between our high temperature model and the perfect gas model. The application is made for air.     

爆轰波穿越惰性气团时的透射激波参数分析

爆轰波穿越惰性气团再进入可燃混合气体时,透射激波的参数主要受到三个基本过程的影响:头激波两次穿越惰性气团与可燃气体之间接触面导致的激波强度下降、放热反应中止、爆轰波后稀疏波对激波的衰减作用。放热反应中止是透射激波衰减的主要原因,不同种类的惰性气体对透射激波参数影响不大。     

激波结构内流动问题的气体运动论描述

从介观Boltzmann速度分布函数理论出发,发展计及分子粘性碰撞截面与扩散碰撞截面,可描述各流域一维气体流动问题的Boltzmann简化速度分布函数方程及其气体运动论数值计算方法。通过对不同Knudsen数下非定常激波管流动及不同马赫数定常正激波结构问题数值模拟,研究分析不同流区的激波突跃变化过程以及近连续流、稀薄过渡流特有的分子输运现象,揭示不同马赫数、不同分子模型的激波内流动与传热变化规律,证实基于Bo-ltzmann模型方程的气体运动论数值计算方法用于激波结构内流动研究的准确可靠性。     

斜激波极值规律的边界层影响

采用边界层理论与斜激波/膨胀波精确算法，建立一种结合Eckert参考温度法和Illingworth-Stewartson变换法优势的边界层权重算法，用于研究超声速黏性楔面边界层位移厚度对斜激波极值规律的影响。分别应用层流Navier-Stokes方程和湍流Navier-Stokes方程的CFD解算器对边界层新模型进行了算例精度评估。在来流马赫数为1.2~2.4和楔面角为3°~20°的范围内，压强比的相对误差小于0.1%。计入层流与湍流边界层影响的理论模型研究表明，边界层影响使得最优马赫数增加；对于层流边界层，最优马赫数增量约为0.001 5~0.003 3；对于湍流边界层，最优马赫数增量约为0.002 8~0.006 1。     

喷管内二次喷射的激波测量与分析

研究了不同喷射位置、喷射马赫数和喷射角度的气体二次喷射混合流场的弓形激波形状。在二维矩形喷管内进行二次喷射试验,用纹影仪拍摄得到激波照片。将由照片换算得到了激波半径与用爆炸理论计算的结果相比较,证明爆炸波解在计算激波半径方面提供了与实验较符合的结果。     

Subsonic impulsively starting flow at a high angle of attack with shock wave and vortex interaction

Impulsively starting flow, by a sudden attainment of a large angle of attack, has been well studied for incompressible and supersonic flows, but less studied for subsonic flow. Recently, a preliminary numerical study for subsonic starting flow at a high angle of attack displays an advance of stall around a Mach number of 0.5, when compared to other Mach numbers. To see what happens in this special case, we conduct here in this paper a further study for this case, to display and analyze the full flow structures. We find that for a Mach number around 0.5, a local supersonic flow region repeatedly splits and merges, and a pair of left-going and right-going unsteady shock waves are embedded inside the leading edge vortex once it is sufficiently grown up and detached from the leading edge. The flow evolution during the formation of shock waves is displayed in detail. The reason for the formation of these shock waves is explained here using the Laval nozzle flow theory. The existence of this shock pair inside the vortex, for a Mach number only close to 0.5, may help the growing of the trailing edge vortex responsible for the advance of stall observed previously.     

锥型喷管过膨胀射流中激波后的参数研究

研究了在锥型喷管和理想喷管过膨胀射流中激波后的参数控制问题.通过采用УсковВ.Н所给出的微分动力学相容性条件,得到了激波后气动参数沿激波分布的计算方法.该方法所得到的计算结果与实验结果是一致的.这一方法可用于指导某些气动装置的设计.