10°尖锥气动特性边界层转捩诱导量的测定研究

本文用风洞实验的方法在国内外首次测出了１０°尖锥气动特性的转捩诱导量，包括转捩诱导法向力及其作用点，转捩诱导俯仰力矩和尖锥压心的转捩诱导量。研究结果表明，这些转捩诱导量随Ｒｅ数的变化趋势合理，具有确定的规律性。研究认为，这些转捩诱导量产生的原因是细长锥边界层转捩的不对称性。利用这些结果，可以很好地解释边界层转捩何以对细长锥的气动静稳定性和气动稳定性产生极为显著的影响以及静、动稳定性转捩诱导量之间的相关现象。此外，这个研究结果还有助于证明边界层转捩将影响物面的压力分布。本研究是在Ｍ＝５，α＝０°的流场中完成的，实验的Ｒｅ数范围为ＲｅＬ＝２．８×１０６～１３．８×１０６。     

高超声速小钝锥边界层非对称转捩研究

在脉动能-比耗散率(ｋ-ω)两方程体系上引入边界层转捩的模型化处理方法,构建高超音速边界层流动的转捩湍流模式。基于新的转捩湍流预测手段研究发现,圆锥小攻角下转捩特性呈现非对称分布———迎风面后移而背风面前移,非对称转捩对于高超音速飞行器的表面热流特性及气动力特性影响显著。     

高超声速边界层转捩特性试验探究

通过在激波风洞中开展转捩试验,选取来流马赫数分别为6和8,单位雷诺数分别为4.1×10 6m -1 、2.6×10 7m -1 和4.4×10 7m -1 的来流条件,研究马赫数、单位雷诺数以及攻角变化对钝锥边界层和平板边界层转捩位置的影响。结果表明,攻角增大使钝锥迎风面和背风面边界层转捩位置均前移,使平板边界层转捩位置也前移;钝锥边界层在低马赫数时更容易转捩,平板边界层转捩受马赫数影响在攻角有差异时有所不同;单位雷诺数的增大促进转捩,但对于钝锥边界层而言,该参数增加到试验选定的上限时,转捩位置的变化并不明显;在转捩过程中平板边界层的脉动压力系数与热流具有相同的变化趋势。试验捕捉到了第二模态扰动。     

粗糙物面引起的超声速边界层转捩现象研究

采用风洞实验和数值模拟方法研究平板表面圆柱形粗糙单元引起的M=3超声速边界层转捩问题。实验采用纳米粒子示踪平面激光散射技术（NPLS）对流动结构进行测量。共考察了1mm、2mm和4mm三个不同的粗糙度条件。采用五阶精度加权紧致非线性格式（WCNS-E-5）对风洞实验进行数值模拟和对比。实验及计算表明：粗糙元对边界层干扰后诱导了尾迹流向涡的形成,流向涡通过抬升机制产生剪切层和流向速度条带等不稳定结构;实验流动图像显示,剪切层不稳定在边界层转捩过程中起重要作用;随着粗糙元高度增加,流动分离范围和转捩区域明显扩大,转捩位置有提前的趋势。     

大尺度薄壁结构力-热-电一体化分析

基于有限元-多层快速多级子方法(FEM MLFMM)提出天线罩力热电一体化分析方法，以平板为研究对象，验证一体化分析方法的准确性；以大尺度升力天线罩为研究对象，开展气动力和气动热载荷下结构的力-热-电一体化分析，评估力/热环境下结构的强度性能，并探究力/热载荷对结构电磁透波性能的影响规律。研究结果表明：提出的一体化分析方法具有较好的分析精度；在气动力载荷下，天线罩透波性能下降，下降幅值随着气动力载荷的增大而增大；高温引起的材料电磁参数变化对天线罩透波性能有较大影响；在天线罩结构设计阶段，需要充分考虑气动热和气动力载荷对其电磁性能的影响。     

气动热作用下的充气式减速器性能研究

为了解高超声速再入时气动热载荷对充气式减速器柔性结构的影响,文章基于松散耦合方法开展了极端热载荷工况下的耦合数值研究。文章首先建立了流固耦合和热固耦合两种模型,分别对比研究了气动力和气动热两种气动载荷对蒙皮结构的影响。结果表明,气动热对结构的影响远大于气动力,在高超声速再入时应重点考虑。之后研究了气动热载荷下充气式减速器防热层各功能层温度分布,结果表明,绝热层隔热效果最为显著,绝热层导热系数增大一倍,内部最高温度升高21.7%,热变形最大值升高10.7%。上述成果为充气式减速器的设计提供了一定的理论依据。     

边界层转捩对细长锥静、动稳定性的影响

本文简要介绍了边界层转捩对细长锥静、动稳定性影响的实验情况及对结果的分析。实验马赫数M_∞=5.047。模型为一个正圆锥,半锥角θ_c=10°。以模型长为特征尺寸的自由流月R_e数的变化范围为2.2×10~6到13.3×10~6。实验表明;R_e数对细长锥的稳定性有重要的影响。主要原因是R_e数的变化将导致锥面边界层自然转捩位置的改变、因而转捩产生的诱导力矩、诱导阻尼力矩随之发生变化。当转捩发生在后体物面上时,模型的静稳定性下降而动稳定性增加;反之,当转捩发生在前体物面上时,则静稳定性增加而动稳定性下降。静稳定性随R_e数的变化与动稳定性随R_e数的变化之间呈现出对应关系。     

高超声速导弹多场耦合仿真

为准确预测高超声速导弹气动力与气动热环境，采用分区求解方法，实现气动力/热/结构多场耦合计算，并通过与试验值对比确立了耦合仿真方法的有效性。建立大长细比高超声速导弹仿真计算模型，对导弹弹体结构变形、温度场和压力场进行了数值模拟。仿真结果表明：弹体结构随着攻角增加发生轴向拉伸和横向弯曲；拉伸变形主要由气动热引起，弯曲变形主要由气动力引起；导弹头部气动热与气动力载荷大；耦合效应随着导弹攻角增加更加明显，造成导弹气动热力学环境更加严酷。     

运载火箭及总体设计要求概论(三)——运载火箭总体设计(续)

简要介绍了运载火箭总体设计中气动力设计、气动热设计、弹道设计、载荷设计的主要内容、设计步骤和设计要点。     

飞行高度对高超声速钝锥边界层稳定性及转捩的影响

研究了飞行高度对高超声速钝锥边界层稳定性及转捩的影响。通过求解三维可压缩Navier-Stokes方程计算了来流Ma=6，半锥角为7°的钝锥在飞行高度20~40 km条件下的基本流场，利用线性稳定性理论（LST）研究了飞行高度对钝锥边界层流动稳定性的影响，最后采用e N方法进行了转捩预测。研究发现，随着飞行高度的增加，流向不稳定N s值和横流不稳定N cf 值均减小，由横流不稳定性引起的圆锥表面大部分区域转捩逐渐转变为流向扰动引起迎风面转捩横流扰动引起背风面转捩，继而横流扰动消失,流向不稳定波引起迎风面转捩。     

前缘水平投影可控的乘波体设计方法研究

结合流线追踪技术和密切面混合函数提出了一种前缘水平投影可控的乘波体设计方法,并完成了前缘水平投影为超椭圆的乘波体(Waverider-F)和超椭圆前缘转超椭圆后缘的乘波体(Waverider-FT)设计。二者具有较高的容积效率,前缘对应的轴向投影近似为余弦曲线。通过数值仿真验证了设计方法的有效性,设计点时Waverider-F的乘波特性良好且保持了基准流场的特点,Waverider-FT前部完全乘波,后部两侧诱导激波使流场变形且形成高压区,接力点时二者的乘波特性也较好。另外,二者具有较高的升阻比和预压缩效率,设计点时无粘升阻比分别为3.46和2.88。与Waverider-F相比,Waverider-FT的升力、阻力和出口增压比都明显增加,而升阻比、俯仰力矩和出口总压恢复系数降低。有粘条件下,设计点的升阻比由2.91降为2.41,对应的出口总压恢复系数降低了5.8%。     

高超声速飞行器外形热流密度分布计算的高精度方法研究

为提高高超声速条件下飞行器表面热环境的计算精度,发展了高精度算法WCNS-E-5,并开展了热流密度分布的数值计算研究.该算法采用的是五阶精度加权显式非线性格式,结合四阶精度的二阶偏导数差分近似、四阶精度的边界格式,同时还对网格偏导数及温度梯度也离散为四阶精度.通过求解三维Navier-Stokes方程,数值研究了高超声速飞行器外形如钝锥和双椭球体的物面热流密度分布.模拟结果表明,这种保证全流场高精度的WCNS-E-5得到的流场图像清晰、真实.与通常的二阶算法MUSCL对比,WCNS-E-5具有更高的流线分辨率,获得的热流密度更接近于实验测得分布.     

卷弧翼火箭气动参数数值模拟

由卷弧翼火箭圆锥运动稳定性分析需要,对卷弧翼火箭稳态流场作数值模拟,并将计算结果与试验结果进行对比,验证了数值模拟的精度,且计算中得到试验中不易获得的侧向力矩系数。根据翼面压力分布,分析了卷弧翼火箭自诱导滚转力矩和侧向力矩产生的原因。利用强迫滚转法和气动辨识技术计算了火箭的滚转阻尼力矩系数,计算结果和试验结果差别不大。经数值模拟圆锥运动时卷弧翼火箭的非稳态流场认为,圆锥运动对阻力的影响主要是由攻角产生的静态效应。     

表面热膜在高超声速边界层中的应用

本文针对标准10°圆锥在不同攻角下边界层的转捩和流动分离现象进行了试验研究.在高超声速情况下,应用表面热膜试验技术测得了10°圆锥在不同攻角下的壁面摩擦应力和动态信号数据.试验研究结果表明表面热膜技术可以成功地应用到高超声速的边界层研究中.所得到的数据有助于正确理解高超声速的边界层的特性.特别是驻点线上,边界层的发展有其特殊的规律.     

Study on variable-shape supersonic inlets and missiles with MRD device

This paper proposes a new aerodynamic device, which was designated multi-row-disk (MRD). This device has a cone and stabilizer disks being arranged in the axial direction. This device can arbitrarily change its aerodynamic characteristics by translating stabilizer disks. In the first part of this paper, the effect of several nose shape configurations including the MRD device on the aerodynamic characteristics is reported. By increasing the number of stabilizer disks, zero-lift drag and induced drag can be reduced. It was also found that putting cavities on the conical surface is effective for improving longitudinal static stability. In the second part, the effect of cavity flow instability on pressure and strain oscillation is reported. We drew the design criterion that the configuration of stabilizer disks should be determined not to couple the 1st mode with pressure oscillation frequency, which can be predicted with Rossiter's formula.     

Menter转捩模型在高超声速流动模拟中的改进及验证

通过压力梯度参数和湍流普朗特数的修正,对Menter等构造的低速经验关系式转捩模型进行了改进,将基于局部信息的Menter转捩模型用于高超声速流动转捩数值模拟。在多个高超声速尖锥转捩流动模拟中,对改进后模型的可靠性进行了检验,算例考核了不同壁面温度、来流湍流度、流向压力梯度等多种流动条件。结果表明,数值计算和风洞试验的壁面温度、温度恢复因子和热流等符合得较好,修正后模型较好地模拟了转捩起始位置和转捩区长度,在高超声速边界层转捩预测中具有一定潜力。     

The role of viscosity of solids in microparticle cratering

The importance of viscous effects on the impact cratering process has been investigated. The shock wave front region was characterized by the balance of inertia and viscous forces (Reynolds number 1), and by a continuous distribution of all thermodynamic quantities. The width of the shock wave front region and its flow properties were then related to the impact particle size and velocity, and to the target material properties. Experimental data for aluminum demonstrated that cratering characteristics were changed when the impact particle size was the same order of magnitude as the shock wave front region. An analytical model was developed for cratering dominated by this “viscous” flow. Results from this model indicate a substantial decrease in crater radius and increase in crater surface temperature when compared with inviscid analysis. In addition, a new test method was identified to evaluate the viscosity of solids.