基于流场探测的发动机喘振控制仿真研究

为使冲压发动机性能最优并始终工作在安全状态,需要使其工作的喘振裕度最小且在喘振边界内。在喘振边界安装一种能够准确分辨超声速或亚声速流场状态的流场探测装置,控制进气道结尾激波位置。针对一维变截面流动控制方程,研究了流场探测装置的安装位置,以及激波越过流场探测装置后控制系统的减油规律。仿真研究结果表明,用试验数据修正理论仿真的方法可以准确地捕捉进气道结尾激波,同时根据某型冲压发动机的设计临界喘振裕度,确定了流场探测装置安装位置位于距进气道锥尖的距离;进气道沿程压力跟随发动机燃油流量的变化而变化,压力波传播时间相对于燃油调节时间可以忽略;由于进气道内激波前后运动存在明显的压力滞环现象,当激波越过喘振边界时,进气道出口压力会进一步上升,发动机喘振危险加大,应使用加速电磁阀快速减小燃油流量,控制激波回到安全区域。     

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。     

前向空腔的弓形激波特性研究

在FD-14A激波风洞中Ma=10流场对前向空腔构型开展试验研究,应用高速阴影技术捕捉弓形激波的平均位置及振荡幅值,利用压力传感器测量空腔底部的脉动压力。在现有无空腔钝头体激波脱体距离预测方法的基础上发展了前向空腔构型的激波脱体距离预测方法,结合国外的试验测量结果与Organ-pipe理论,验证了这种方法的有效性和适用性,且该方法对激波脱体距离的预测结果与FD-14A风洞试验结果一致。此外,基于这种方法讨论了空腔振荡频率预测方法存在的争议。最后,研究了Ma=10流场下球锥体-前向空腔构型的脱体激波振荡幅值与平均速度的规律。     

内并联式TBCC进气道模态转换过程流动特性分析

针对组合动力(TBCC)进气道模态转换过程中出现的非定常气动现象,采用稳态/非稳态数值模拟方法对相关流动特性及其影响因素与流动机理开展了研究。结果表明：由涡轮发动机工作状态向冲压发动机工作模态转换过程中,进气道内出现结尾激波沿流向前后振荡现象,振荡频率约为130Hz;当冲压流道反压引起的激波未前传至模态转换分流板前时,冲压发动机工作状态对结尾激波振荡不产生影响。在相同的发动机工作状态下,随着模态转换速度的增加,结尾激波振荡频率逐渐增大。文中研究的进气道内结尾激波振荡现象可通过亚声速管道内波的传播理论进行解释和分析。     

某固体火箭发动机点火启动过程三维流场一体化仿真

以某固体发动机的燃烧室和喷管为一体化研究对象,采用三维流场控制方程,应用有限体积法计算了发动机点火启动过程中燃烧室和喷管内燃气的流场特性。发动机药柱上的着火点最初出现在药柱星角尖上,然后向四周扩展;在药柱点火初期,燃气压力波先于火焰峰到达喷管;随着燃烧室内燃气压力升高,压力沿轴向分布逐渐平缓;当喷管进口压力与出口背压比达到某一值时,喷管扩张段内出现一道激波,随着压力比的升高,激波最终移出喷管,燃气流速在喷管出口处达到最大值。     

连续旋转爆轰波传播过程试验研究

为研究连续旋转爆轰波的传播过程,采用充填H2/O2混气的切向预爆轰管起爆,开展了H2/Air连续旋转爆轰发动机试验研究。在当量比为0.76的工况下,试验成功起爆并实现了旋转爆轰波的自持传播,获得的连续旋转爆轰波传播主频为5211.25 Hz,传播波速为1439.97 m/s。分析了连续旋转爆轰波的起爆、传播和熄爆过程,发现在连续旋转爆轰波的起爆过程中,预爆轰管产生的初始爆轰波进入连续旋转爆轰发动机后,并未直接转变为连续旋转爆轰波,而是经历了一个爆燃转爆轰的过程。在此过程中,激波压力峰值的分布由疏到密,激波强度不断增大,说明连续旋转爆轰发动机内压缩波系逐渐汇合增强,形成前导激波,不断诱导引爆可燃混气,最终形成爆轰波。在旋转爆轰波的熄爆过程中,切断燃料供给之后,爆轰波并没有立即解耦,而是在旋转数周之后,才完全解耦为爆轰产物。     

连续旋转爆轰发动机气液两相爆轰波传播特性二维数值研究

为了研究液体燃料连续旋转爆轰发动机(Continuous Rotating Detonation Engine,CRDE)中爆轰波形成与传播过程,采用二维CE/SE方法,对汽油、富氧空气两相连续旋转爆轰发动机爆轰过程进行数值模拟,分析了连续旋转爆轰发动机气液两相爆轰流场和爆轰波结构及入口和出口处的流场变化规律,揭示了CRDE自持传播机理。计算结果表明,燃料以时段阶梯填充方式来起爆旋转爆轰,可快速有效地形成单方向稳定传播的爆轰波;在周向方向上出口处的流场间断面要延后于入口处的间断面,出口流场间断面主要是由斜激波和接触间断面造成的,而入口流场间断面是由爆轰波引起的。通过对气液两相CRDE的二维数值模拟,可更好地了解液体燃料CRDE的工作过程,为液体燃料CRDE研究提供指导。     

固体火箭发动机喷管瞬态流场特性分析

为准确预测某型固体火箭发动机喷管的流场特性,建立了发动机燃烧室-喷管一体化三维流场模型,考虑了上游流场-燃烧室对喷管流场的影响,应用有限体积法,仿真计算出了发动机点火启动过程中喷管内激波的存在及变化趋势,仿真结果与一维等熵函数理论分析结果相一致。结果表明,在发动机点燃初期,喷管内燃气呈现亚音速流动,随着时间推移,在喷管扩张段出现了一道激波,燃气流动出现壅塞,随着燃烧室内燃气压力升高,激波逐渐移出喷管,喷管内呈现超音速顺畅流动。     

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。     

超声速进气道喘振的机理研究

应用数值模拟方法对中心锥中心进气混压式进气道的喘振现象进行了研究。在数值计算的基础上,根据进气道出口截面每个网格点的压力、密度、速度等参数计算了进气道喘振过程中流量系数和总压恢复系数随时间的变化情况。同时给出了在喘振过程中激波振荡的振幅、频率、对应的波系图案。并根据进气道头部分离涡的发展情况以及进气道内通道中状态参数的变化情况对喘振产生的机理进行了分析,认为进气道头部分离涡对喘振的产生起关键的作用。     

Rankine涡作用下激波变形和分叉的数值研究

数值模拟了激波和Rankine涡相互作用，重点研究了波涡相互作用引起的激波结构的变化过程。应用非结构化适应网格下的二阶精度Godunov型的PLM格式来求解Elder方程，对一平面激波与不同涡强Rankine涡相互作用下瞬态激波的运动、发展进行了研究。漩涡与激波间相对强度的大小对激波结构的影响明显，弱相互作用诱导激波变形，强相互作用诱导激波变形并产生分叉。计算结果表明，应用非结构化适应网格的PLM格式所得到的数值解较好地反映了瞬态激波结构的有关特征和信息。     

Transient analysis of counterflowing jet over highly blunt cone in hypersonic flow

Understanding the characteristics of various Counterflowing jets exiting from a nose cone is crucial for determining heat load reduction and usage of this device in various conditions. Such jets can undergo several flow regimes during venting, from initial supersonic flow, to transonic, to subsonic flow regimes as the pressure of jet decreases. A bow shock wave is a characteristic flow structure during the initial stage of the jet development, and this paper focuses on the development of the bow shock wave and the jet structure behind it. The transient behavior of a sonic counterflow jet is investigated using unsteady, axisymmetric Navier–Stokes solved with SST turbulence model at free stream Mach number of 5.75. The coolant gas (Carbon Dioxide and Helium) is chosen to inject into the hypersonic air flow at the nose of the model. The gases are considered to be ideal, and the computational domain is axisymmetric. The jet structure, including the shock wave and flow separation due to an adverse pressure gradient at the nose is investigated with a focus on the differences between high diffusivity coolant jet (Helium) and low diffusivity coolant jet (CO₂) flow scenarios.     

激波干扰对发汗冷却影响的数值模拟研究

基于宏观表征体元(REV)的数值模拟方法开展了激波干扰对异质发汗冷却影响的数值模拟研究，获得了外部激波干扰与引射气体边界层耦合相互作用流场特征。研究结果表明，不同冷却介质对于冷却效率有显著的影响，冷却介质比热容越大，相同注入率条件下的冷却效果更好；入射激波干扰会显著影响多孔材料表面的压力分布，使得多孔材料内部冷却介质会发生显著的横向流动，流动的重新分配使得处于高压区的干扰位置处的冷却效果降低；激波干扰引起的局部压力梯度还会使得高温主流与冷却介质掺混加剧，同时壁面的恢复温度也随之升高，显著影响激波干扰局部位置处的冷却效果。     

统一分区加强解算法解物体穿越激波非定常流场

使用统一分区加强解算法求解非定常可压缩Navier-Stokes方程，模拟了物体分别以超音速和亚声速穿越与之同向运动激波的全过程，并且通过和单区计算结果的详细对比，说明统一分区加强解算法能够简便、有效的处理复杂几何外形和提高网格分辨率。     

冲压发动机燃烧引起激波运动过程一维分析

分析了冲压发动机喷油燃烧引起内流道内正激波运动的机理,采用一维激波捕捉方法,建立了燃油喷入对正激波运动位置影响的一维仿真模型。通过仿真发现:喷入燃油并逐步增大燃油-空气当量比时,正激波逐步向上游运动;燃油-空气当量比越大,正激波越接近进气道喉道;当燃油-空气当量比增大到一定程度时,正激波距离进气道喉道最近,但并未越过喉道;进一步增大燃油-空气当量比,正激波开始向下游回退进一步分析发现:冲压发动机流道及燃烧组织匹配设计直接影响到正激波在流道内的运动位置,需要在设计中格外重视。燃油-空气当量比与激波位置的关系分析可为冲压发动机设计提供一定的理论参考。     

火箭低空级间热分离初期流场特性数值模拟

采用耦合求解轴对称非定常NS方程与一维分离动力学方程的方法,对多级火箭低空级间热分离初期过程进行数值仿真。依据仿真结果描述低空级间热分离初期流场的两种典型结构：内部为喷管扩张段流动分离以及外部为级间缝隙横向喷流与超声速外流的干扰流场;给出两种典型流场结构中位于上面级弹体表面（喷管内）的流动分离点位置以及壁面压力分布随仿真时间的变化;初步估算流动分离线偏斜时内外流动分离区域对上面级弹体的干扰力矩。通过分析数值模拟与力矩估算结果,发现在低空级间热分离内外流场中流动分离激波后方形成的高压区域是上面级所受干扰力矩的重要来源。研究结论可为级间热分离过程干扰机理研究提供理论方向,为级间热分离时序设计提供参考。     

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.     

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。