超声速喷管起动过程激波结构演化特征

通过改变进出口压比，对马赫数2.7的二维对称拉瓦尔喷管流动进行了试验研究，给出了超声速喷管起动过程中的激波结构演化特征。在试验过程中，固定喷管喉道出口面积比，改变喷管上下游压比，使喷管起动激波从喉道发展到喷管出口处，逐渐过渡到设计工况。在起动激波向下游发展的过程中，喷管内流动经历了教科书上给出的理论过程:喉道正激波、扩张段内正激波、喷管出口马赫反射、喷管出口规则反射、设计工况等；但由于附面层的存在，每一个过程与无粘情况下的激波示意图都有所不同。比如，试验中捕捉到的激波串在向下游的移动过程中，出现的由λ型激波向Х型激波的转变，以及激波串非对称现象的出现等。基于纹影和剪切敏感液晶摩阻显示技术获得了起动激波串的首道激波的三维特征。     

氮气辐射强度的激波管测量与验证

超高速飞行器的热防护设计必须考虑激波层内高温气体发射与吸收的辐射能量，需要有效的辐射加热评估手段。相应飞行条件下的光谱辐射强度地面实验测量是验证数值模型和方法、理解高焓流动的重要手段。基于燃烧驱动激波管，发展辐射强度标定技术，针对富氮气环境，开展高温气体光谱辐射强度的高分辨定量化测试，掌握辐射特征，为数值验证提供基础数据。实验获得了激波速度5.70和6.20km/s条件下的气体光谱辐射强度精细结构，数据表明激波波后的非平衡过程对辐射强度存在很大影响。通过求解耦合化学反应动力学模型的Navier-Stokes方程和辐射特性模型，得到对应实验条件下的流场参数和辐射强度，计算结果和实验数据符合很好，验证了数值模拟方法。     

基于气体放电的高超声速激波结构显示技术

基于气体放电辐射强度与气体密度的相关性，在高超声速脉冲风洞FD-20中搭建了气体放电流场显示系统，并分别以平板模型、平板-方块模型和简化进气道模型为试验模型，在来流马赫数Ma=12.16、来流静压p≈106Pa的流场条件下开展气体放电流场显示技术研究。在平板实验中，气体放电方法较准确地观测到了电极之间的平板前缘激波结构，与纹影技术测得激波角相差仅为0.21°。在平板-方块实验中，气体放电方法观测到了2个截面（对称面和远离对称面截面）的激波结构，对称面波系结构与纹影和数值计算所得结果基本一致，远离对称面截面的波系结构与数值计算结果基本一致。在简化进气道实验中，气体放电方法观测到了内流道激波交叉形成的菱形结构，且尺寸与数值计算结果相差较小，约为7.9%。这些实验结果表明，在高超声速脉冲风洞中，采用气体放电方法可以获得清晰准确的激波结构，不仅可进行分截面激波结构观测，还可对被模型遮挡的内部区域激波结构进行显示，而且特别适合用于局部复杂流动波系结构的观测。     

超音速推力喷管的最佳型线

本文提出一种设计超音速推力喷管的方法。根据这种方法,可以在给定的喷管长度、外界气压、喉道面积以及喉道附近气流流动等条件下,设计出具有最大推力的超音速喷管管壁的形状。在分析喷管内气体的流动时,假设工作气体是完全的理想气体,气体的流动是等熵位流。     

旋射流气波制冷机实验研究及数值模拟

针对目前气波制冷机的接受管开口端存在较多熵增因素从而制约制冷效率进一步提高的缺点,借鉴了透平膨胀机制冷机理,将现有气体分配器改型,融入旋射流作功机理,加大出流偏角,使射向接受管气体射流反冲膨胀作功,减少熵增、降低入射气体的射流速度,从而有效改善接受管入口端射流气体的流动状况,达到降低工质速度、减小总焓及提高等熵效率的目的.利用Godunov格式建立了管内非定常流动与管壁传热数学模型,对接受管内激波的流动进行了数值模拟,计算结果与实验测量值趋势相同,可为气波制冷机的改造、设计及优化提供参考.     

多循环脉冲爆轰发动机外流场的实验研究

利用内径为30mm,长度为1000mm的爆轰管,对多循环脉冲爆轰发动机外流场进行研究.爆轰管内充满氢气-氧气-氮气预混气,采用底端中心点火.实验中采用YA-16高速阴影系统,拍摄了爆轰外流场的阴影照片.根据实验结果,分析了外流场的动力学结构和悬吊激波产生的动力学机理,讨论了两次循环管外流场结构间的差异.第一次循环中的爆轰波溢出爆轰管后,斜压效应和Helmholtz不稳定导致涡环的产生,涡环形状的变化又引起悬吊激波的角度变化,在此过程中引导激波始终为球面形状,在第二个循环中的相应时刻,激波前的气体是向外流动的,导致引导激波逐渐成为葫芦形状.     

圆弧激波缓聚点火及后续燃烧传播

采用激波管实验和准一维数值模拟的方法，对预混可燃气体中圆弧汇聚激波的自点火现象及后续燃烧波的传播特性进行研究。其中圆弧汇聚激波由平面运动激波通过精确设计的弧形过渡管段转变得到。研究表明:收缩段中圆弧汇聚激波波后的非均匀梯度环境由激波在平直段、弧形过渡段和扇形收缩段中传播所分别诱导的3个梯度区共同构成。随着圆弧汇聚激波的不断增强，圆弧激波后某处首先形成一个无激波的温和反应区。该反应区逆流锋面的初期运动速度远超Chapman-Jouguet（CJ）爆轰波速，而反应产物区流动则呈现出一定弱爆轰波特征。进一步分析发现，该反应锋面本质上是一种"自发反应波"（spontaneous reaction wave），而非常规意义上的动力学波，其速度与汇聚激波波后气流点火时间梯度的倒数吻合。而后，反应区的扩张速度很快降至CJ爆轰波速以下，伴随反应锋面附近激波的产生以及激波-火焰复合结构的形成。激波-火焰结构最终加速演变为反向传播的爆轰波。在一定的条件下，由于入射激波转变过程和汇聚所构造的特定点火环境，自发反应波可再次赶超爆轰波，成为新的燃烧波前；而当自发反应波速度再次低于CJ爆轰波速时，它将再次转变为爆轰波；在此过程中，原先的爆轰波阵面蜕变为反应产物中传播的激波。     

利用双焦点激光测速仪测量小型风洞中单个叶型绕流的试验研究

为了验证各种气体动力学数值计算方法的可靠性,在小型风洞中对单个叶型绕流进行了一系列测量,利用双焦点激光测速仪(L2F)和测取叶型表面、壁面静压对全亚声速流场及含有激波的跨声速流场进行了细致的研究,同时还进行了激波振荡现象及探头对流场的影响的研究。获得的结果不仅可以用于检验描述流动的各种数值模型的正确性或可靠性,同时也为进一步发展数值模型提供了实验数据。通过在简单流场中的测量,积累了一些经验,例如激波前后移动现象的判析与处理,有利于今后在复杂流场中的测量。     

塞式喷管气体动力学过程冷流实验研究

开展了塞式喷管气体动力学过程的冷流实验研究。实验对不同压比条件下塞式喷管塞体表面的压力分布进行了测量,对塞体长度、侧板影响、底部特性以及二次流影响进行了研究。通过冷流实验揭示了塞式喷管的气体动力学过程和流动特性,得到的结论主要有:(1)有无侧板对塞体边缘压力分布影响比较明显,对中心线压力分布影响很小,无侧板的情况下喷管性能会有一定损失。(2)尾迹开放状态下,底部压力随环境压力变化,由于底部涡的影响,底部压力低于环境压力;尾迹闭合状态下,底部压力不再随环境压力变化。(3)尾迹闭合状态下,在底部加入二次流会有比较明显的增压效果;尾迹开放状态下,二次流对短喷管增压效果不明显,但对长喷管有一定的增压效果。     

多管脉冲爆震发动机共用喷管特性的数值模拟

基于有限速率基元化学反应模型和二维迎风型TVD格式的数值模拟方法,研究了3种不同形式的共用喷管设计对多管PDE非定常流动的影响,化学反应模型采用H2/O2/N2的11组分23步反应.数值研究的结果表明:共用喷管对多管PDE中流场产生了重要影响;单管点火的情况下,爆震波传播过程中由于喷管内表面作用产生的反射激波回传有利于旁通爆震管的起爆,喷管可以改变点火爆震管封闭端的压力变化历程,收敛扩张喷管的多管PDE封闭端的压力高于收敛喷管和扩张喷管;共用喷管使得各个爆震管的起爆和运转过程中存在相互影响,设计合理的共用喷管对优化多管PDE的性能和保证PDE协调工作具有重要作用.     

利用二、三维嵌套技术数值模拟复杂边界下的流场

通过数值模拟复杂几何区域和边界条件下二、三维嵌套紊流模型，获得了计算区域内任意一点的流场信息。这一方法克服了常规的单纯模拟二维或三维紊流控制方程组而无法获得准确的自由表面和三维紊流场的缺点，通过两者有机的结合，并采用动边界处理等先进的计算技术，得出了精度更高、更为合理的紊流场。该方法曾被用于三峡工程大江截流完成之后导流明渠通航的流场模拟中，计算结果合理可信，部分成果的精度也已得到了实测资料的验证，成果为导流明渠通航路线的选择提供了依据     

等离子体气动激励的诱导气流速度的实验研究(英文)

等离子体流动控制是基于等离子体气动激励的主动流动控制,可用于改善飞行器和动力装置空气动力特性.为了探索等离子体流动控制的内在机理,在不同的参数条件下,对等离子体气动激励的诱导气流速度进行了实验研究.实验结果表明:等离子体气动激励可以把激励器表面空气加速到每秒几米的速度,诱导气流与激励器表面有一个约5°的夹角,且气流经加速后会形成漩涡结构.固定激励频率,诱导气流速度随激励电压增大而增大;固定激励电压,诱导气流速度受激励频率的影响不大;激励器布局对等离子体气动激励器的性能有重要影响.     

前飞速度和升力偏置量对共轴刚性旋翼气动特性影响分析

共轴刚性旋翼前飞状态的气动特性主要由工况环境中的来流速度、密度和桨叶的翼型配置、弦长分布和扭转分布等气动布局参数决定。气动布局参数的综合影响决定了共轴刚性旋翼的的升力偏置量。了解前飞速度和升力偏置量对前飞性能的影响规律有利于设计更适合于高速飞行的共轴刚性旋翼。因此,本文通过求解可压雷诺平均N-S(Reynolds-averaged Navier-Stokes,RANS)方程对4 m直径的由两副2片矩形桨叶旋翼构成的共轴刚性旋翼模型的前飞流场进行了数值模拟,获得了不同前进比下的气动力并对不同升力偏置量下的旋翼性能进行了对比。数值模拟结果表明,随前进比增大,桨叶展向拉力分布更加趋于合理,拉力中心向桨叶中段移动,可以充分给桨尖卸载;旋翼升力主要由前行侧桨叶提供,升力偏置量过大容易产生激波诱导失速,不利于高速前飞。     

三维高超声速底部喷流干扰流场数值模拟与试验研究

通过数值模拟和风洞试验两种手段对来流马赫数M∞=4、喷流压比Pj/P∞=156.8、不同迎角下的三维高超声速底部喷流干扰流场进行了研究.研究结果表明超声速底部喷流干扰流场结构复杂,有、无喷流时底部流场有很大不同,对气动力系数影响显著;在大喷流压比情况下,喷流干扰使导弹纵向气动力系数下降、压心前移.最后,对数值模拟与风洞试验在结果上的差异进行了分析.     

微型飞行器研究用极低速风洞的特点

用于微型飞行器气动特性研究用的极低速风洞在国外公开发表的资料很少见到.因此在总体设计、气动计算与结构设计中均遇到许多新问题.在缺少资料以及实际设计与使用经验的情况下,经过多方案比较、详细的气动计算、调查研究和实机测试,按照设计技术要求研制成功了试验段直径为φ100mm,风速可以从1m/s无级调速到13m/s的微型飞行器研究用极低速开口自由射流风洞.其流场可用区域大,流速可调范围宽,而且可以无级调速.给出了总体方案的选择、部件气动计算的结果、风洞气动轮廓图以及流场测量数据.     

从壁面脉冲到湍流相干结构演化的数值模拟

发展了高效求解基于Navier-Stokes方程的扰动方程高阶紧致差分方法，研究了壁面强脉冲到湍流相干结构的复杂演化过程。该方法采用高精度、高分辨率的三维耦合中心差分格式，以及和高阶时间分裂法相结合因而更为有效，比一般谱方法更适用于较为广泛的流动区域和边界条件的湍流相干结构研究。中模拟了槽道流动中壁面强脉冲诱导的湍流相干结构的产生、发展和演化过程，显示了湍流相干结构的基本特征和发展规律．计算结果表明，所用壁面强脉冲模型比共振三波模型更有效．     

超声速条件下多体干扰与分离试验研究

采用根据国外公开文献设计的类CAV模型,在0.6m×0.6m 跨/超声速风洞中开展了多体干扰与分离网格测力试验研究,初步获得了典型多体飞行器分离过程中的气动特性变化规律。试验结果表明,载荷模型气动特性受分离位置变化影响非常明显。载荷模型沿轴向分离时,气动力(矩)逐步接近自由流中气动力(矩)值,载荷模型法向位置改变会引发其气动力(矩)值发生更为剧烈的变化。引发这种现象的原因有两个:一是尾迹和头激波的发展改变了不同轴向位置处载荷模型的表面流态,从而影响了其气动特性;二是母机模型底部流动具有明显的非对称膨胀特征,不同法向位置处流速大小和方向差异明显,导致载荷模型气动特性随法向位置变化更为剧烈。     

火箭橇体进水现象研究

在考核过载承受能力的火箭橇试验后,橇体内发现有水,从空气动力学的角度,对火箭橇体进水现象进行了初步分析,并利用FLUENT软件对进水原因进行了初步研究,通过分析,发现结构在穿越跨音速阶段时,由于内外压差的变化将导致内部或外部产生水汽。该发现为结构设计提供有益的建议。     

外并联式TBCC进气道模态转换风洞试验及模型典型影响因素分析

开展了外并联式TBCC进气道典型模态转换条件下的气动特性风洞试验研究，获得了其主要气动性能参数，并验证了所采用的CFD方法的基本可靠性。以CFD为主要手段，针对该TBCC进气道模型开展了侧板缝隙、前缘钝化以及内型面迎风台阶3方面加工偏差对进气道气动性能影响的研究。结果显示:分流板与侧板之间的缝隙导致了高、低速通道之间的窜流，在缝隙为0.5 mm时，高速通道总压恢复系数增加量可达2.13%，同时流量系数增加2.27%，这对进气道气动性能的评估产生了影响，模型侧板缝隙应小于0.5 mm；在一般加工精度（0.3 mm）下，前缘钝化半径对进气道气动性能的影响较小，进气道性能参数基本保持不变；在一般装配精度（0.5 mm）下，内型面迎风台阶对进气道流量系数基本无影响，进气道总压恢复系数的减小量小于0.44%，能够满足进气道气动性能的评估要求。     

发动机引流对飞机气动力的影响试验研究

飞机气动力特性是飞机特性的基本表征。发动机的引流对气动力的影响直接关系到气动力建模的准确性、飞行品质和飞行安全。将真实涡喷发动机安装在某缩比验证飞机内，较逼真地研究了发动机推力大小、空气流动速度大小和方向等对气动力的影响。结果表明，发动机引流对验证机气动力的影响主要体现在轴向力、法向力和俯仰力矩上，发动机推力越大，引流效果越明显，且在超过失速迎角后的某迎角处法向力和俯仰力矩的增量达到最大值；而在不同侧滑角、一定风速范围内以及舵面偏转等情况下，发动机引流引起的气动力增量主要表现在失速迎角附近。因此在进行大迎角机动研究时，必须考虑发动机引流对气动力的影响。