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。     

大气湍流对平流层星光导航中星光传输的影响

以平流层飞行器用星光导航为背景,研究在平流层内星光传输过程受大气湍流的影响机理,揭示平流层中星光的衰减规律,为建立平流层星光导航星库以及电耦合器件(CCD)所摄取的星图补偿方法提供理论依据。研究提出将流场密度和流场密度脉动变化大的区域划分为宽度为L的特性截面,并基于几何光学法及统计光学理论分别计算星光穿过各特性截面后产生的光线偏折及平均光强衰减,进而推导整个平流层内星光传输过程中的能量衰减变化曲线。采用基于k-ε双方程湍流模型的雷诺平均法计算不同极端情况下的大气湍流场密度及密度脉动分布。通过计算机数值仿真表明:星光穿过具有湍流的平流层时将发生明显偏折,其偏折程度与流场密度值有关;同时星光光强衰减,衰减程度与流场密度脉动值有关。     

带轴对称台阶的圆锥高超声速边界层转捩试验

在Ma 6风洞内，通过高频脉动压力测试技术和基于纳米粒子示踪的平面激光散射(NPLS)技术，分别对带前向、后向轴对称台阶的圆锥高超声速边界层转捩进行了试验研究。采用功率谱密度分析和互相关计算等方法对脉动压力数据进行分析，得到了边界层中扰动波的发展规律，定量分析了第二模态波的相关参数。结果显示：两种模型中第二模态波在沿流向向下游发展的过程中，其幅值均先增大再衰减、特征频率均逐渐减小；特征频率和传播速度整体上均随雷诺数的增大而增加(后台阶模型中特征频率由100 kHz增至196 kHz，前台阶中则由 97 kHz 增至174 kHz)、波长变化规律则与之相反(后台阶中由6.35 mm降至4.54 mm，前台阶由7.35 mm降至 4.66 mm )；后台阶模型中第二模态波初次出现位置比前台阶中更靠近上游，边界层转捩位置较前台阶前移。将NPLS结果与高频脉动压力测试结果进行对比，两者吻合较好。     

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。     

SST二方程湍流模型在高超声速绕流中的可压缩修正

为模拟高速可压缩湍流问题,对剪应力输运（SST）湍流模型进行了可压缩修正。数值格式采用改进的总变差减小（TVD）格式,并对湍流模型的负值强制项进行了隠式处理。在此基础上计算了绕平板以及基本无分离和具有分离流动结构的压缩拐角的高超声速流动。计算结果和实验数据及半经验公式的对比表明：SST湍流模型的可压缩影响项为密度加权脉动速度的平均与压力梯度的标量乘积。经可压缩修正后的SST湍流模型与原模型及其它可压缩修正模型相比,所计算的壁面压力、摩擦阻力和壁面热流分布具有更高的精度。     

槽道流壁面展向周期振动减阻的一维谱分析

通过直接数值模拟（DNS）对壁面做展向周期运动的槽道湍流进行研究,建立了槽道湍流数据库。发现通过改变振幅大小和振动周期,可以使壁面摩擦阻力明显减少。对减阻前后一维湍流脉动能谱进行了定量分析,结果表明,控制后湍流脉动能普遍下降,流向和展向速度脉动都受到了很大的抑制,并且总动能在减少的同时,能量从时间尺度大的脉动向时间尺度小的脉动传输。分析了阻力变化周期中三个特征时段拟涡能谱的变化规律,发现总涡能在得到不同程度抑制的同时,具有不同的变化特征。结合近壁湍流拟序结构的变化规律,进一步揭示了壁面展向周期振动减阻的内在机理。
     

发动机供应系统中汽蚀管自激振荡特性试验

为研究汽蚀管在火箭发动机供应系统中的自激振荡特性，采用全尺寸的发动机泵后供应系统，并模拟供应系统在发动机中的边界条件，开展了汽蚀管动态液流试验。在不同的汽蚀管相对压力损失下，获得了不同位置处的压力振荡数据。试验结果表明，当汽蚀管处于汽蚀工作状态，汽蚀管下游脉动压力存在220~310 Hz范围的振荡，下游压力的自激振荡对汽蚀管上游系统无明显影响。随着汽蚀管相对压力损失的增大，汽蚀管下游的汽蚀振荡频率减小，汽蚀振荡幅值增大。在汽蚀管与主阀之间，振荡幅值沿流向逐步增大，从主阀至推力室头腔，振荡幅值逐步衰减。当汽蚀裕度过大时，汽蚀管下游出现大幅值的压力脉冲尖峰，并导致导管结构产生高幅值的脉冲形振动响应。     

碱金属杂质对飞行器烧蚀流场电子数密度影响

通过数值求解含有碱金属杂质碳酚醛烧蚀效应的层流与湍流化学非平衡Navier-Stokes控制方程,理论预测了无线电衰减测量计划(RAM)-C系列钝锥体前两次再入等离子体鞘套电子数密度。计算结果包括化学非平衡纯空气流场结果以及含碱金属杂质的碳酚醛烧蚀流场结果,并和文献发表的飞行器上朗缪尔探针、反射计等离子体诊断数据,以及从信标和遥测信号衰减中获得的等离子体相关数据进行了比较,获得了与试验分析结论相一致的碱金属电离对电子数密度峰值影响随高度变化趋势。理论计算与飞行试验结果均表明:烧蚀材料中的碱金属电离会显著增加中低空飞行器等离子体鞘套的电子数密度,最高可达2~3个量级。     

统计能量分析参数获取技术的应用

目前飞行器高频力学环境预示主要采用有限元-统计能量混合方法,但由于缺乏模态密度、内损耗因子、耦合损耗因子等统计能量分析参数,导致声振响应预示结果不够准确,给结构和载荷设计带来了困难。文章将已有的统计能量参数获取技术应用于工程实际,通过试验获取了几种典型结构在不同安装边界下的统计能量分析参数,积累了相关的数据,为结构的精细化声振响应预示提供了输入。     

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。     

火星进入器壁面脉动压力环境数值模拟

为研究跨超声速阶段来流马赫数、来流攻角及配平翼展开角的变化对进入器壁面脉动压力环境的影响规律，本文采用脱体涡方法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：在跨超声速阶段，进入器壁面脉动压力环境随马赫数的增加而趋于减缓。配平翼迎风面分离区受脱体激波影响明显，当来流马赫数较小时，可压缩效应较弱，分离区涡流运动剧烈，诱导的脉动压力环境较强；随着来流马赫数的增加，脱体激波对分离区抑制作用增强，分离区运动受到限制，诱导的脉动压力环境趋于平缓。此外，随着来流攻角增加，配平翼迎风面上再附点的位置向翼根方向转移，从而使翼根处的脉动压力环境趋于恶劣。当配平翼展开180°时，分离区再附点位置基本固定，配平翼迎风面脉动压力环境得到一定程度的减缓。功率谱分析表明，在配平翼迎风面上诱导的脉动压力能量主要集中在中低频区域。     

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。     

“人字形小肋”对激波/边界层干扰的影响研究

在曼彻斯特大学跨声速风洞开展激波/边界层干扰及“人字形小肋”对其影响的实验研究。在马赫数1.85流场条件下，应用高速纹影、油流、皮托压力测量和基于压敏漆的壁面压力测量技术，研究“人字形小肋”流动控制方法对激波/边界层干扰的流动分离结构与尺寸、压力分布特性与波系特征等影响。结果显示激波/边界层干扰诱发流动分离，分离区呈现三维特征，在“人字形小肋”的作用下，分离线呈现“波浪”形且整体向上游移动，干扰区流向尺寸增大，分离区高度减小且长度略增大，再附区的压力极值降低，这些特征与叶片、尖楔等微涡发生器的影响趋势相反。下一步工作中，拟针对“人字形小肋”开展参数优化研究，“人字形小肋”可能成为降低激波/边界层干扰诱发的高热流载荷的有效方法。     

边界层内水介质在压差驱动下沿小孔向气腔射流问题研究

对边界层内小孔气水多相流场下射流问题开展数值仿真及定常水洞试验研究,建立了适用于边界层内压差驱动下小孔向气腔射流多相流场问题研究的数值仿真计算模型,针对典型孔参数及气水流场条件,对比分析了仿真试验数据,验证了数值仿真模型的正确性及模型计算精度。结合流体质点受力及运动模型及平板边界层理论,分析了气水域压力场特征及水域流动规律对小孔射流过程的作用机理及影响规律,开展了孔参数对射流多相流场特征及射流量的影响研究。获得了小孔射流量估算方法,为航行体上防水装置设计提供数据支撑。     

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。     

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。     

动网格在固体火箭发动机非稳态工作过程中的应用

利用Fluent流场计算软件、动网格技术、UDF文件,用DEFINE_GRID_MOTION定义燃面边界的移动,用DEFINE_PROFILE定义边界类型,考虑侵蚀燃烧、压强变化率对推进剂燃速的影响,对轴对称变截面固体火箭发动机的非稳态工作过程内流场进行了瞬态分析.得到了变截面轴对称固体发动机稳态工作过程中装药燃面推移图像,并得到了发动机内弹道参数分布云图及其随时间的变化规律.