高超声速再入钝头体表面热流计算

采用边界层外缘无黏流场数值求解三维可压缩定常Euler方程,将所得物面压力分布作为边界层外缘条件,用于边界层内跟踪流线的轴对称比拟工程算法,计算高超声速有攻角再入钝头体的表面热流。某钝双锥算例结果表明:算得的表面热流与实验数据吻合很好。该方法较纯工程算法提高了精度,较数值求解整个流场Navi-er-Stokes方程节省计算时间,对准确计算全轨道飞行复杂形状高超声速飞行器表面的热流分布有一定价值,适宜高超声速飞行器方案设计阶段气动热环境预测的需要。     

高超声速气流非结构化网格DSMC算法研究

高超声速气动热力学环境的研究是直接涉及飞行器轨道控制、热防护设计的关键问题之一。文章通过研究稀薄气体热化学非平衡态中的热力学环境,采用非结构化DSMC程序对“火星探路者号”（Mars Pathfinder）探测器的Ballute减速装置在地球大气层和火星大气层中的高超声速飞行进行了数值模拟,计算得到了流场的温度分布、探测器壁面的热流密度分布,分析表明稀薄气体热化学非平衡态对飞行器流场有影响。将仿真结果与NASA兰利研究中心的计算结果作了比较,二者吻合很好。研究结果可用于飞行器热防护设计。     

可降低气动热效应的类凹腔外形优化设计

针对飞行器上由凸起物形成的类凹腔气动加热问题,采用数值方法求解三维N-S方程,研究了类凹腔外形结构的高超声速气动加热规律,获得了三维高超声速流场和局部热流分布,并详细分析了局部的流场结构和气动加热机理。针对凹腔前壁面热流密度过高的问题,提出并验证了一种降低前壁面边缘热流密度的优化外形,将前壁面的热流密度降低至优化前的20%左右。     

高超声速飞行器复杂流场过渡区DSMC数值模拟的一种新方案

采用DSMC方法,研究了高超声速三维复杂外形飞行器在过渡领域飞行的气动力、热特性.提出了一种对飞行器物面网格与DSMC计算域网格分别标识,进行高超声速复杂流场过渡区DSMC数值模拟的一种新方案,通过判断模拟分子与表面碰撞来完成飞行器物面网格与DSMC计算域网格间的信息传递和信息存贮,对于复杂外形飞行器的精确描述的物面网格不需做进一步处理,直接应用于不依赖于飞行器外形的DSMC计算的通用子程序中.对物面网格的标识、分子的运动及与表面碰撞的判断、流场量的采集的实施方法和细节进行了分析和讨论.仿真计算了三维复杂飞行器流场压力、热流分布量,飞行器表面气动力、气动力矩和气动热参数,证明了采用的方案和技术的有效性.     

基于HIFIRE-5外形的高超声速飞行器流场特性数值仿真研究

采用数值仿真方法,开展了高超声速飞行器(HIFIRE-5)的流场特性计算研究,精确捕捉高超声速流场中的波系、背流面横向流动及表面流动现象,并对激波及横向流动其机理进行了详细分析。结果表明,所用数值计算方法有效,横向流动和横流失稳是产生流场三维涡系结构的主要原因,该认识可为类似外形高超声速飞行器的气动外形设计、优化及气动特性分析提供参考。     

基于HIFIRE-5外形的高超声速飞行器

采用数值仿真方法，开展了高超声速飞行器（HIFIRE-5）的流场特性计算研究，精确捕捉高超声速流场中的波系、背流面横向流动及表面流动现象，并对激波及横向流动其机理进行了详细分析。结果表明，所用数值计算方法有效，横向流动和横流失稳是产生流场三维涡系结构的主要原因，该认识可为类似外形高超声速飞行器的气动外形设计、优化及气动特性分析提供参考。     

高超声速球锥组合体流场数值分析

用数值模拟法研究了高超声速球锥组合体的层流流场特性与热行为,给出了流场计算方法与格式。研究结果表明：球锥组合体压缩拐角在高超声速下出现流动分离,其流动特性受壁面温度的影响极大;提高壁面温度使压缩拐点处分离点位置前移,再附点位置后移,涡心位置提高,分离范围扩大,同时降低球锥组合体热流的分布,球锥组合体头部热流明显减小。     

高超声速滑翔飞行器再入轨迹快速、高精度优化

针对高超声速滑翔飞行器再入轨迹优化问题，提出一种基于稀疏差分法和网格细化技术的快速、高精度求解方法。该方法应用局部配点法将再入轨迹优化问题转化为非线性规划(NLP)问题，从两方面提高轨迹优化的效率和精度。一方面，引入一种高效的稀疏差分法计算NLP的一阶偏导数，提高NLP的求解效率；另一方面，提出一种基于新型广义二分网格的网格细化算法调整离散节点的数量和分布，使得方法能够采用较少的节点数目取得较高的优化精度，从而减小NLP的规模和计算量。应用该方法求解了高超声速滑翔再入轨迹优化问题，仿真结果表明所述方法能够快速生成一条严格满足各种约束的最优三维再入轨迹。在此基础上，研究了滑翔飞行器的再入落点区范围，进一步检验了该方法的有效性。     

用空间推进算法模拟高超声速进气道流场

在有限体积法框架下，采用空间推进算法SSPNS（Single-Sweep Parabolized Navier-Stokes Algorithm）求解抛物化NS方程（即PNS方程），在流向采用LU—SGS隐式积分，而横向无粘和粘性通量则分别采用AUSM系列格式和中心格式计算。用该方法对1个二维高超声速进气道和2个三维高超声速进气道流场进行了数值模拟，得到的流场波系结构、壁面压力及传热系数分布与文献中相关数值解和实验数据基本一致，表明SSPNS法能够准确地模拟超燃冲发动机进气道内的高超声速流动。对比研究表明，SSPNS法与求解FNS（Full Navier＼lStokes Equations）方程的传统时间迭代法相比，二者计算精度相当，而SSPNS计算速度快1～2个量级，存储量至少低1个量级。本文的研究为CFD在超燃冲压发动机部件及一体化优化设计中的集成，以及大型高超声速工程流动的高效计算，打下了良好的基础。     

高超声速升力体飞行器等离子体鞘数值模拟

为探究高超声速再入过程中通信“黑障”的影响因素,基于一种化学反应平衡气体组分模型,采用有限体积法求解三维全N-S方程,数值方法采用AUSMPW+格式和LU-SGS隐式求解方法,模拟典型球锥体的高超声速流场,得到的电子数密度分布同RAM-C II飞行试验数据吻合良好。并针对一种升力体外形飞行器进行计算,选取高度范围35~55〖KG*9〗km、马赫数12~25、攻角10°~30°共14个飞行状态,得到了不同状态下的飞行器周围的电子数密度分布情况,对比分析发现电子数密度值与飞行高度、马赫数以及攻角的大小关系密切。     

有烧蚀气体产物影响的化学非平衡粘性流数值计算研究

本文是针对高超声速绕流钝锥体再入飞行器，研究有烧蚀气体产物影响的化学非平衡反应粘性流ＮＳ方程数值计算方法。通过带有化学源项的ＮＳ方程对流动作数值模拟，总的连续方程由单个组元守恒方程组代替。对１３个化学组元，２６个气相化学反应，以及２个气相－固相化学反应，研究烧烛碳－空气的化学反应系统，并与纯空气化学反应系统的计算结果进行比较。利用二阶迎风ＴＶＤ差分格式和激波捕捉法，计算球锥体头部和身部化学非平衡粘性流场     

高空飞行环境中液体运载火箭底部热环境研究

采用数值模拟和飞行测试验证相结合的方法对液体运载火箭高空对流/辐射耦合换热问题开展系统深入研究。基于燃气多组分输运Navier-Stokes方程、热辐射方程、Realizable k-ε两方程湍流模型，建立了高空含自由流的运载火箭燃气喷流流动模型。辐射模型采用离散坐标法(DOM)，空间离散采用二阶迎风TVD格式，对多个典型飞行高度火箭底部热流进行大型并行计算，将数值结果与试验数据进行广泛对比，验证了计算模型的精度和有效性。数值研究表明，火箭底部辐射热流在刚起飞阶段达到最大值，随着飞行高度上升，辐射热流逐渐降低，火箭底部对流热流表现为先升高后降低的趋势，并在20 km高空达到峰值。本文的预测分析方法对液体运载火箭底部热防护设计具有重要的理论意义和工程应用价值。     

一种高超声速稀薄流激波干扰气动热测量技术

针对高超声速稀薄来流条件下的激波干扰气动热测量问题，设计了一种适用长时间、中低热流量值(5~500 kW/m2)的带封装结构的量热计，采用空气隔热设计方式降低其侧向传热，实现了有效一维传热，延长了测试时间；并通过热流传感器标定试验，实现了热流高精度测量。为验证量热计的测量性能，开展了地面标定实验和基于双锥模型的高超声速低密度风洞激波/边界层干扰实验(M10和M12)，量热计与同轴热电偶的测量结果进行对比分析。研究结果表明，本文所设计的量热计适用于稀薄来流条件下激波干扰引起的复杂气动热问题的热流测量。相比于同轴热电偶，量热计响应时间较慢，但对于较大热流，由于极大减轻了侧向传热的影响，测量精度较高。同轴热电偶对低量值热流(5~20 kW/m2)的测量性能较好，信噪比(SNR)较高。研究成果为开展高超声速低密度风洞稀薄流激波干扰气动热试验研究提供支撑。     

火星探测器表面材料催化特性数值模拟研究

针对火星探测器高超声速进入过程中的表面材料催化作用及其对气动热环境影响这一问题，建立了变壁面温度的火星大气表面材料催化作用模型，并基于火星大气物理化学模型和求解三维热化学非平衡N-S方程的数值方法，对典型火星探测器防热大底进行了数值模拟，获得了不同催化特性下的高超声速非平衡流场和气动热数据，分析了表面材料催化特性对气动热环境影响的规律性。研究结果表明：表面催化特性对壁面附近组分分布影响很大，催化反应进程主要受O原子浓度限制；有限催化热流随催化效率增大而增大，完全催化峰值热流比催化效率为1的有限催化峰值热流高25%~64%；表面温度随催化特性的变化规律与热流变化规律类似。有限催化模型能根据表面材料的催化特性精细化预测表面热流和温度，为防热设计提供更精确合理的参考标准。     

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。     

高超声速飞行器主动气膜冷却热防护数值仿真研究

为研究高超声速飞行器头部全覆盖保护情况下的气动热分布特征,文章提出一种微孔射流的主动气膜热防护方案,并对射流微孔分布进行优化;通过数值求解N-S方程,得到高超声速飞行器头部的驻点压力及表面、附近温度分布。研究结果表明,在主动气膜冷却热防护下,高超声速飞行器壁面温度可以降到1000 K以下。该方案可为未来高超声速飞行器的外壳设计提供参考。     

考虑高空粘性干扰效应的乘波体气动性能工程预测方法研究

粘性干扰效应是飞行器在高空、高马赫数飞行状态下所面临的诸多重要物理效应之一,对飞行器在这一区段飞行时的气动性能有着极其重要的影响.本文基于粘性干扰理论,结合参考温度方法提出了一种能够考虑粘性干扰效应的高超声速乘波体气动性能的工程预测方法,克服了传统工程预测方法不能计及粘性干扰效应的不足.文中对该方法的合理性进行了理论分析,并在飞行高度30～70km,飞行马赫数15～20范围内,通过本文提出的方法与传统工程方法以及计算流体力学(CFD)方法计算结果的比较,验证了本文所提出的方法的有效性.     

高超声速飞行器发射坐标系导航算法

针对高超声速飞行器弹道特点和导航参数的需求，提出基于发射坐标系(LCEF)的高超声速飞行器导航算法。首先，介绍发射坐标系下捷联惯导(SINS)算法编排，推导发射坐标系下姿态、速度和位置离散递推方程。然后，介绍地心地固系(ECEF)下的卫星位置和速度转换到发射坐标系的方法，推导发射坐标系的SINS/BDS组合导航滤波器状态方程和量测方程。最后，以助推-滑翔飞行器为对象，进行了发射坐标系下组合导航仿真，位置精度小于10 m，速度精度小于0.2 m/s。