火星进入器作强迫震荡运动壁面脉动压力数值模拟

为研究超声速阶段进入器作强迫震荡运动对壁面脉动压力环境的影响规律，本文耦合进入器刚体运动方程与流体力学方程，采用动网格技术，对火星进入器模型开展非定常数值模拟，获取壁面不同位置处的脉动压力信息。研究表明：在超声速阶段，进入器作强迫震荡运动诱导的脉动压力远大于进入器保持相对静止时仅由非定常流动诱导的脉动压力。来流马赫数为1.2时，进入器作强迫震荡运动对脱体激波影响较小，脱体激波强度较弱且形态变化较小，攻角的震荡导致同一测点距离脱体激波的位置发生周期性改变，舱体迎风面及配平翼迎风面的脉动压力环境主要受攻角变化的影响；来流马赫数为3时，进入器作强迫震荡运动对脱体激波的影响较大，脱体激波震荡剧烈，诱导舱体迎风面及配平翼迎风面产生极其恶劣的脉动压力环境，功率谱分析表明激波震荡诱导的脉动压力能量主要集中在30 Hz左右。     

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。     

真实气体效应对高超声速轨道器气动特性的影响

基于一个7组元6反应动力学模型，采用NND差分格式求解化学反应Navier-Stokes方程，数值研究高超声速轨道器的绕流特性。重点讨论了轨道器气动特性在真实气体效应作用下对不同来流状态和不同舵偏角的敏感性。研究表明：真实气体效应主要发生在物面附近很薄的激波层内，缩短了激波的脱体距离，使激波层变薄，流动变量的梯度变大；空气的离解和电离导致轨道器的阻力系数比完全气体计算值低，压心位置前移。小攻角下，升力系数和俯仰力矩系数的真实气体计算值高于完全气体计算值，大攻角情形则相反。此外，小攻角时真实气体效应产生小低头力矩，而大攻角时产生小抬头力矩。单就舵面而言，真实气体效应使其阻力系数增大，使其升力系数和俯仰力矩系数在小攻角且非负舵偏角时变小，在大攻角且负舵偏角时变大。特别地，真实气体效应仅在零攻角且零舵偏角时对舵面的压心位置产生较大影响。     

斜激波串与上游激波干扰特性试验研究

为研究斜激波串在背压条件下前移与上游激波相互干扰的流场结构和运动规律，在来流为马赫数 2.7 的直管道内设计一种等宽度斜楔，采用动态压力测量、高速纹影和粒子图像测速(PIV)技术等手段进行了试验。研究结果表明：内置斜楔在管道内产生入射激波、分离激波、膨胀波、再附激波和激波诱导分离等复杂上游激波流场，在分离区附近形成有顺压梯度和逆压梯度的区域。当增大下游压比时，斜激波串逐渐向上游激波流场移动；经过斜楔产生的分离区时，斜激波串的移动速度急剧提升，同时出现非对称分离偏转方向的切换。对比了三种长度尺寸的等楔角斜楔所产生的上游激波流场的差异性，发现在相同的斜楔前缘起始点和楔角时，随着斜楔长度的增加，上游激波流场中激波诱导的分离尺度逐渐变大。     

化学非平衡效应对返回舱再入气动力特性的影响

高空高马赫数条件下,化学非平衡效应将对飞行器气动特性产生影响,影响飞行器气动布局优化和飞行弹道设计。文章通过三维化学非平衡流动求解程序,针对再入返回器开展数值研究与机理分析,通过对比完全气体模型和化学非平衡气体模型获得的气动力参数,揭示化学非平衡效应对流场结构和气动力特性的影响和规律。结果表明,对Apollo的气动力计算结果验证了模型和计算方法;化学非平衡效应影响下,激波层内化学反应消耗大量能量,致使激波脱体距离减小,气体压缩性增强;典型状态高度为70 km,Ma=30条件下,化学非平衡效应导致返回器升力系数增大约6%、阻力系数增大约1.3%～3.3%、升阻比增大3%左右、俯仰力矩系数增大,从而使配平攻角减小约2.5＆#176;;通过机理分析,发现化学非平衡效应影响下表面压力系数发生变化的原因是飞行器周围激波形状及驻点压力改变,表现为气体沿流线经激波层、压缩区和膨胀区的历程变化;对于钝体形状的返回器,迎风面前体压力系数增加和后体压力系数降低,造成轴向力和法向力系数增大。     

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。     

风标式攻角传感器在超声速飞行运载火箭中的应用研究

以运载火箭上的风标式攻角传感器为研究对象,首先运用风洞试验研究其在超声速气流中的静态以及跟随特性。针对箭体常采用的规则旋成体,运用数值仿真分析当地攻角与来流攻角的关系。发现同一位置不同高度(距箭体壁面)当地攻角的变化较小,而同一截面不同周向位置上的影响则较大。在攻角平面内当地攻角不反映来流攻角信息;在垂直于攻角的平面内,受绕流的影响,当地攻角大于来流攻角;在两平面夹角的中心位置,当地攻角大致与来流攻角相当。运用数学分析解算出探测攻角与当地攻角、侧滑角的变换关系,最终获得攻角传感器的探测特性。基于火箭绕流流场的特征以及传感器的探测特性,建议工程应用时在4个象限的中心线上分别布置一个攻角传感器以获得飞行攻角和侧滑角。     

大钝体三维粘性流场数值模拟

本文用有限差分法数值求解薄层Ｎ－Ｓ方程，模拟了高超声速绕大钝头倒锥体的三维粘性流场。来流Ｍ∞＝７．０，Ｒｅ∞４．５×１０５，差分格式为二阶迎风ＴＶＤ格式。给出了包括复杂三维分离流动现象在内的流场结构，及其整体物面压力分布。研究了攻角对流场的影响，发现在一定攻角以后，流场结构发生很大的变化。     

物体穿越斜激波干扰特性的数值研究

当物体以超声速穿越同向运动的斜激波时，它的飞行Mach数和攻角都会发生较大的变化。穿越过程中斜激波与物体脱体激波发生相互作用，形成复杂的激波干扰波系结构，基本的干扰形式为复合Mach反射结构。不同的穿越位置时，由于不同的来流条件，使物体上尾部凹坑内的流场和波系发生很大的变化，随着物体的穿越过程，当头部和凹坑下游壁面与翼面穿越激波时，阻力系数有两次剧烈的变化，法向力基本呈线性下降，压力中心先大幅度后移，物体逐渐穿过激波后又快速前移。因此穿越过程使物体加速，给物体的姿态带来很大的扰动。翼面穿过激波也造成阻力、法向力下降，压心后移。如果对有控制的飞行器，穿越激波时气动力特性和稳定性的急剧变化，将给控制系统带来很大的困难。     

影响高超声速进气道起动能力的因素分析

对一系列不同收缩比、不同波系配置的内压缩通道二维流场进行了数值模拟。研究了面积收缩比、飞行高度和来流攻角对高超声速进气道起动性能的影响，提出了进口起动马赫数和来流起动马赫数的概念。研究表明，当进气道收缩比增大时，进气道的进口起动马赫数增大；来流起动马赫数由外压波系强度和进口起动马赫数决定，所以来流攻角变化改变外压波系强度，从而改变来流起动马赫数；随着飞行高度的增加，来流起动马赫数和进口起动马赫数增大，造成这一变化的原因是飞行高度不同，来流雷诺数不同，造成收缩段进口截面附面层厚度不同。     

基于快速响应PSP技术的跨声速脉动压力实验研究

利用快速响应压敏涂料(PSP)技术对弹箭类飞行器跨声速段的脉动压力特性开展风洞实验研究,获得了Ma=0.8～1.2范围内弹箭类飞行器全表面1.2s实验时间段内的脉动压力特性,较全面地研究了马赫数、攻角(舵偏角)对脉动压力分布特性的影响。实验结果表明,快速响应PSP技术的脉动压力测量结果与高精度脉动压力传感器结果较为吻合,均方根脉动压力系数的测量误差小于15%,精度要求满足工程设计使用,且快速响应PSP测量方式能够获得弹箭类飞行器全表面的脉动压力分布,有利于捕获压力峰值和辨识跨声速非定常流场结构,更好地指导脉动压力载荷设计,在弹箭类飞行器设计中有较高的工程应用价值。     

旋成体模型仪器舱脉动压力空间相关特性研究

为揭示跨声速阶段仪器舱附近脉动压力的空间相关特性,以某旋成体模型为研究对象,基于风洞试验获取了仪器舱附近脉动压力载荷分布规律,计算了测点间的脉动压力空间相关系数。通过曲线拟合与归一化处理,获得了模型仪器舱脉动压力空间相关特性曲线,并研究了攻角、马赫数与雷诺数对空间相关性的影响。结果表明,该模型仪器舱脉动压力空间相关特性具有波动与衰减的特点,随着流动复杂程度的增加,其相关性逐渐降低。同时,在跨声速范围内,该模型仪器舱脉动压力空间相关特性对马赫数以及较高的雷诺数比较敏感。对脉动压力空间相关特性的研究,为飞行器结构响应分析以及载荷环境预示提供了支撑。     

一种改进的跨声速旋成体壁面脉动压力经验预测公式

使用大涡模拟（LES）方法对典型整流罩旋成体结构进行非定常数值模拟研究,结果表明引起壁面压力脉动的流场结构随时间和空间变化,不同的流场结构之间相互干扰。同时研究发现,旋成体折角膨胀会造成流动在较短的距离内迅速加减速,同样引起壁面压力脉动。基于上述流动现象,重新划分压力脉动产生区域,通过引入空间修正项,提出一套改进的跨声速旋成体壁面脉动压力经验公式。算例表明,该方法能够显著提高旋成体在跨声速条件下的脉动压力分布的预测精度。     

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。     

火箭整流罩外气动噪声环境的大涡模拟研究

基于五阶加权本质无振荡（WENO）格式构造隐式大涡模拟方法（ILES）,对跨声速来流条件下（Ma=0.8）火箭整流罩外噪声环境进行数值模拟。通过与风洞试验结果及国外文献进行对比,ILES方法能够在较粗网格下准确预测壁面湍流脉动特性。跨声速流动在壁面折角处出现分离、再附、激波/边界层干扰现象,均方根脉动压力系数出现峰值,同时该区域噪声能量在全频段都较高,易引起结构抖振效应。最后,根据ILES模拟结果,指出工程常用的外噪声经验公式的不足,并提出改进措施。     

高速旋转冲压增程弹用进气道复杂流场数值模拟

采用块结构网格与二阶精度流场分区求解技术,对高速旋转、含侧向支柱冲压增程弹丸进气道内外复杂流场进行了数值模拟,得到了高速旋转工况下对应于不同来流马赫数和攻角,以及临界工况时超音速进气道内外流场复杂的波系结构。在旋转工况下,进气道流场结构与不旋转时相似,但旋转速度以及攻角的存在对冲压发动机进气道的总体性能产生了负面影响,进气道总压恢复系数和动能系数均有所降低,而流场畸变指数则显著增大;冲压发动机进气道在较低马赫数工作时的综合性能优于在较高马赫数工作时的综合性能。     

亚跨超声速返回舱动稳定特性

在“阿波罗”、“联盟号”和“海盗号”等返回舱与行星探测器研发阶段,动稳定特性严重影响着降落伞系统与控制系统的设计。文章采用风洞自由振动试验方法,研究有/无前端框两种返回舱外形的动稳定特性。试验结果表明：两种返回舱外形动稳定导数的量级在全马赫数范围内都很小,在亚、跨声速,甚至超声速范围均出现动不稳定现象。该现象与返回舱分离区绕流特性密切相关。返回舱的动稳定导数随攻角的起伏变化很大,具有很强的非线性特征。在亚声速和跨声速范围,返回舱的动稳定性呈现明显的极限环振动特性。有/无前端框模型的试验结果对比表明：有前端框模型和无前端框模型动稳定性规律比较接近,但是由于前端框表面绕流影响,无前端框模型的稳定性比有前端框模型要稍差一些。