钝头飞行器高超声速侧向喷流干扰流场特性研究

采用数值模拟方法求解N-S方程,对高超声速钝头飞行器绕流与侧向喷流干扰流场中的流动分离和旋涡特性,及其对喷流干扰区压力分布的影响进行了研究。在中小攻角时喷口前存在干扰引起的主分离涡和二次分离涡,喷口前拐角处还存在另一个调和主分离和喷流的第三个马蹄涡,大攻角时这三个马蹄涡消失,干扰规律与中小攻角不同;表面流谱中小攻角时为典型的双分离线和双再附线结构,主分离和二次分离为典型的闭形分离,大攻角时主分离非常靠前,且为鞍、节点结合的开式分离结构,干扰区内的分离为横向分离流动;不同的干扰流场结构导致中小攻角时主分离激波和喷流弓形激波在压力分布产生两个峰值,主分离马蹄涡和喷口前拐角处马蹄涡则产生两个波谷,随攻角增大分离区扩大,波峰和波谷都前移,峰值下降,大攻角时喷口前马蹄涡消失,压力波谷也消失,实验压力分布也从某种程度上验证了大攻角干扰流场特性与中小攻角差别的合理性。研究表明,在不同的攻角状态下高超声速钝头飞行器绕流与侧向喷流干扰流场分离和旋涡特性有很大的差别,引起喷流干扰区压力分布的明显不同,必然导致对喷流控制效率的严重影响。     

三维喷流流场中固体颗粒效应的粒子仿真方法研究

采用粒子仿真跟踪颗粒相运动轨迹，采用高效ENO格式求解NS方程，数值模拟了有攻角条件下含颗粒相的横向喷流与超音速物体绕流形成的干扰流场。结果表明上述方法是研究气－相两相流动的有效途径，颗粒相存在对喷流流场结构及物体所受的气动力和气动热具有一定影响。     

侧向喷流干扰流场建立与消退过程数值模拟

针对高超声速轨控侧向喷流的非定常干扰效应问题,应用非定常数值模拟方法和多重网格加速收敛技术,研究了锥-柱-裙外形轨控侧向喷流干扰流场的建立和消退过程,获得了详细的喷流瞬时干扰流场结构特性,分析了法向力放大系数、干扰力矩系数、法向力系数及俯仰力矩系数随时间的变化特性。研究结果表明：在侧向喷流干扰流场建立和消退过程中气动力变化较大,存在峰谷值;法向力放大系数及干扰力矩系数的定常值和非定常时均值之间存在明显差异。     

塞式喷管侧向喷流仿真研究

随着快速、准确等控制要求的提高,越来越多的飞行器采用了直接侧向力控制技术,这对飞行器本体及喷流装置均提出了更高要求,是先进飞行器气动设计中的关键技术之一。参考美国NCADE方案中的塞式喷管控制发动机结构进行了侧向喷流干扰流场的数值仿真研究,并与常规拉瓦尔喷管进行了对比,分析了两种喷管干扰流场结构及性能的异同,为相关研究提供借鉴。     

数值模拟侧向超声速单喷流干扰流场特性

采用数值方法研究了平板上超/高超声速来流与超声速横向喷流相撞引起的复杂干扰流场特性。所建立的单介质冷喷流数值模拟方法,经过了表面多方位压力分布测量结果、纹影显示的激波结构以及表面油流图谱表现的表面分离范围的实验验证。根据数值模拟与实验对比的结果,合理地描述了喷流干扰流场压力分布以及表面、空间结构特性,并分析了压力比对流场结构和特性的影响。     

双喷流对空空导弹直接力控制的影响

采用3阶WENO方法计算了空空导弹在6 km高度,马赫数Ma=2下双喷流工作的情况。针对有攻角的对侧双喷流和零攻角下成直角的双喷流进行数值分析,得到主要结论:攻角造成了上下喷流的非对称,喷流在导弹迎风面的作用力小于其在背风面的作用力;在成直角的双喷流作用下,两喷流之间的干扰会增强喷流的作用,得到的单喷流等效放大因子增大很多。     

基于多块对接网格的多侧喷流瞬态干扰特性研究

基于无限插值理论和多块网格技术,生成了带多姿控发动机的拦截弹结构体网格。利用非定常N-S方程数值求解技术,计算了大气层内高超音速拦截弹带多个横向喷流的瞬态干扰流场,为拦截弹瞬态多侧向喷流的精确控制力建模提供了理论参考依据。研究结果表明,与单喷瞬态干扰相比,瞬态多侧向喷流干扰延迟效应更明显;多侧喷瞬态喷流尾流对尾翼存在更强干扰现象。     

细长旋成体单孔微吹气扰动控制的数值研究

利用三维可压缩Navier-Stokes方程,对亚临界流动范围内不同Re数下,细长旋成体大迎角下单孔位微吹气扰动控制进行了数值计算,通过对不同截面压力分布和侧向力系数的对比,发现单孔微吹气扰动对细长旋成体侧向力有明显的控制能力,并且这个控制能力要受雷诺数的影响。     

轨控喷流干扰气动—运动一体化非定常数值模拟

针对运动条件对反作用控制喷流控制气动干扰的影响,基于雷诺平均N-S方程,建立非定常气动--运动一体化方法,通过计算流体力学（CFD）/刚体动力学（RBD）耦合求解,对一种采用轨控喷流直接力控制的锥柱裙外形进行了数值模拟,研究了干扰流场结构、力和力矩与飞行器状态随时间变化特性,分析了运动非定常计算和定常计算的对比结果以及外流参数（马赫数,攻角等）变化对气动运动特性的影响。研究结果表明：轨控喷流使飞行器运动时存在强烈的非定常特性,定常计算的法向力放大系数和干扰俯仰力矩大于运动非定常计算结果。     

过渡区侧向喷流干扰的并行DSMC数值模拟研究

在高空低密度环境,空间飞行器的控制面效率下降较快,反作用控制系统(RCS)作为改变飞行姿态或轨道的直接力系得到大量应用,为了精确预测高空RCS喷流与稀薄大气的干扰效应,本文建立了直角与表面非结构网格混合结构的DSMC数值算法以及网格自适应算法,保证了碰撞分子是在自适应后的亚网格内选取,提高了计算精度.采用静态随机负载平衡技术构建了并行DSMC代码,计算分析了不同压比条件下的三维平板模型侧向喷流与稀薄大气的干扰流场.计算的复杂流场结构和表面流动特征、分离长度与低密度风洞试验有较好的一致性.在保持来流参数不变的情况下,喷流干扰区的分离长度及喷流透射高度随着喷流压比的增大而增大.随着来流稀薄度的增加,来流对喷流的影响越来越弱,而喷流自身的影响区域却越来越大.     

导弹轨控喷流气动干扰全空域插值方法研究

导弹侧向喷流气动干扰受海拔高度影响显著,主要原因在于雷诺数和压力比会随海拔高度的变化而变化。受大气参数的影响,雷诺数和压力比的变化规律并不一致。为能在现有气动模型基础上既保证插值精度又减少节点数,通过数值模拟方法研究了雷诺数和压力比对轨控喷流气动干扰的影响。结果表明:海拔高度对喷流气动干扰的影响主要由压力比变化造成,雷诺数变化产生的影响相对较小,且喷流干扰与压力比间存在一定的线性关系。因此,提出了一种基于压力比的喷流气动干扰插值方法。相比于传统的基于高度的插值方法,该方法可显著提高插值精度,并减少节点数,适用于全空域轨控喷流气动建模。     

大气层内导弹侧向喷流干扰流场的数值模拟

采用3阶的WENO格式计算了大气层内带有侧向喷流的超声速导弹绕流流场。计算显示了喷流和绕流干扰的流动结构。喷流上游的高压区域包络弹体,与喷流下游的低压区域一起削弱了喷流产生的侧向力。在文中计算条件下,喷流放大因子小于1,并形成了较小的俯仰力矩。     

小型固体运载器起飞段姿态控制方法研究

针对控制系统,采用侧喷流发动机和栅格舵的新型小型多级固体运载火箭开展了起飞段姿态控制方法研究。给出了在低马赫数条件下侧喷流发动机的力放大因子和栅格舵的控制力矩,建立了运载器姿态控制模型。根据侧喷流和栅格舵的特点,设计了PID控制器与智能开关控制器相结合的新型控制器,运用神经网络算法实现了开关控制器参数的在线选择。仿真结果表明,所设计的控制器满足控制精度、稳定度和鲁棒性的要求,算法简便,具有工程可实现性,以侧喷流发动机和栅格舵为执行机构的控制系统能满足运载火箭起飞段姿态控制要求,为陆基或空射小型固体运载火箭姿态控制方法提供了一种新思路。     

运载器级间冷分离使用直接力姿控方法研究

侧向喷流直接力控制技术已在大气层外动能拦截器和大气层内防空导弹中得到成功应用.运载火箭作为跨大气层飞行器,可尝试采用该技术进行姿态、轨道控制.介绍了一种由侧向喷流发动机作为姿态控制执行机构的运载器,讨论了该运载器在级问冷分离过程中进行姿态控制的可能性,建立了运载器在大气层外飞行条件下的分离姿态动力学模型,并设计了滑模变结构姿态控制规律.仿真结果表明,所设计的级间分离姿态控制方法能降低上面级的初始姿态误差.     

类火星环境中火箭起降过程喷流影响研究

采用尺度自适应模拟（Scale Adaptive Simulation, SAS）方法对火箭在起降过程中喷流的地面效应进行了数值研究，对比分析了在海平面和类火星环境下的喷流冲击倾斜地面和水平地面时的流场结构以及喷管的侧向载荷。在海平面环境下，喷管内部出现流动分离，喷管内壁压力先减小，在分离点处压力达到最低点，然后压力增加至环境压力。喷流冲击倾斜地面时具有更强烈的流动不稳定性，喷流出现明显的时间演化现象。在类火星环境下，喷管内部不发生流动分离，内壁的压力沿着流向逐渐减小。喷流冲击倾斜地面时，在喷管出口的外侧形成了上下移动的马赫盘；喷流冲击水平地面时，喷流和地面反弹气流相互作用，阻碍了马赫盘的形成。研究结果还表明在类火星环境和海平面环境下，喷流冲击倾斜地面时喷管内壁温度均上升。研究结果将为火箭回收和火星着陆的方案选取提供参考。     

高超声速飞行器激波控制减阻技术

针对高超声速飞行器巨大的激波阻力，采用数值方法研究了由钝头体、气动杆和侧向喷流构成的组合模型的减阻性能。侧向喷流将弓形激波推离气动杆，组合模型的再附激波明显弱于传统气动杆模型，其阻力系数比气动杆模型低了33.52%，从而验证了本文组合模型优异的减阻效率。进行了组合模型的影响因素分析，随侧向喷流总压比和气动杆的长度的增加，再附激波强度减弱，减阻效率升高，但减阻效率的变化速率逐渐减小。随喷口位置向下游移动，再附激波逐渐增强，减阻效率降低，且减阻效率的变化速率逐渐增加。此外本文还研究了以上参数对流场结构及钝头体压力峰值位置的影响。