轴对称进气道外罩跨音速非守恒型全位势流AF3算法

本文针对轴对称进气道外罩跨音速绕流问题的特点,采用了贴体坐标网格;并对这类网格拓扑构造了三种Baker的隐式近似因式分解AF3有限差分迭代算法。通过理论分析与数值实验,找到了既能计算亚临界情形,又能计算超临界情形的AF3格式;并就此格式讨论了适合于进气道绕流特性的AF3迭代格式中间变量的提法,具体提出了格式实施的相应方法,研制了可供分析任意轴对称进气道外罩跨音速特性的计算程序。由于采用了任意曲线坐标系上的轴对称非守恒型全位势方程适合于用不同方法生成的计算网格,因此,本文的工作还有可能进一步推广到计算更复杂的轴对称进气道跨音速绕流问题。计算表明,本方法收敛快,结果好。     

使用波导模型研究“长空一号”靶机喷气式发动机进气道的雷达反射特性

本文采用波导模型模拟发动机进气道,计算和实验测量了截面积为10×10厘米~2的矩形波导的RCS值,两者结果基本相符。通过这一方法,计算了“长空一号”靶机进气道的RCS值,与地面静态测量比较,结果令人满意。这样,对于复杂的喷气式飞机目标,其机头和机尾的RCS值就可通过波导模型的模拟来修正。     

进气道研究在南航

本文回顾了进气道研究室近几年来在进气道与发动机匹配、进气道流场控制、进气道扩压器的设计和气动测试等方面的科研工作,并对实验设备和技术的研究概况作了简单介绍。     

火焰稳定器修形对发动机后向RCS的影响

基于某简化的排气腔体静态雷达散射截面积(Radar cross section,RCS)测试结果,分析了稳定器采用吸波材料后对发动机后向RCS的缩减效果;在不改变加力燃烧室传统结构基础上,针对现有某型稳定器结构从隐身修形设计角度建立了5种不同稳定器蒸发腔简化腔体RCS计算模型,分别在高频10 GHz、低频1.5 GHz下对比分析了不同稳定器蒸发腔结构的RCS特征、稳定器倾斜布置对腔体RCS的影响。结果表明:传统非隐身一体化设计的排气腔体结构中,高频下稳定器采用隐身措施后的RCS缩减效果显著;几种针对稳定器蒸发管式蒸发腔结构的修形设计,均能在高频下带来一定的RCS缩减收益,低频下缩减不明显;具有横向及纵向复合倾斜的平板结构蒸发腔较其他结构的RCS缩减效果好,同时可改善功能材料的使用工况,提高其使用可靠性;稳定器在0°～20°倾斜布置对后向腔体RCS有一定抑制作用。     

进口速度分布对短突扩压器性能的影响

在任意曲线坐标系下，对环型燃烧室的三维流场进行了数值计算，研究了四种不同的进口速度分布对扩压器性能的影响。计算结果表明，进口速度大小和方向都对扩压器性能有重要影响，进口速度分布均匀以及方向贴近扩压器壁面，有利于提高扩压器的性能。计算中采用标准ｋ－ε双方程紊流模型，采用控制容积法进行离散，在非交错网格体系下用ＳＩＭＰＬＥ法求解     

收敛形进气道数值研究的验证

介绍一种新型的、具有最小喉道面积的三维高超声速进气道 (称之为收敛形进气道 )的数值和实验研究结果。表明使用这种形式的进气道 ,在整个飞行速度范围内可以降低阻力和高超声速发动机表面的热防护要求 ,通过降低外压缩表面的倾斜度和减少进气道及燃烧室壁的面积就可以做到这一点。在采用低维次流动的气体动力设计方法的基础上设计成这种形式的进气道。计算是在无粘气体模型构架内用有限体积法进行的。同时用边界层方程计算出计及粘性的气流特性和进气道特性。数值算法是通过收敛形进气道的有限宽楔形外压缩表面的计算和实验数据来验证的。进行实验研究的马赫数M=2～ 1 0 7,基于模型进气道高度的雷诺数Re=( 1～ 5) × 1 0 6。数值计算与实验结果一致性很好。这些结果也和通常的二维进气道的数据作了比较。     

三种不同的进气道与弹体组合体雷达散射截面特性

对三种不同进气道与弹体组合所得的三个模型进行了雷达散射截面（RCS）实验研究，三种组合分别为：埋入式进气道与多边形截面弹体的组合，埋入式进气道与常规圆截面弹体的组合、S弯进气道与常 圆截面弹体的组合，雷达散射截面特性实验和对比研究表明：圆截面弹身时，采用埋入式进气道比采用S弯进气道具有更好的隐身效果；采用埋入式进气道时，多边形截面导弹比圆截面弹身隐身性能更好。可以推断，多边形截面弹体与埋与式进气道的组合具有光明的应用前景。     

简单形体目标电磁遮挡算法研究

为了自动地解决复杂目标高频电磁散射场计算时各部件之间的相互电磁遮挡问题，本文利用极大极小检验、Roberts算法、包含性检验等计算机消影算法，经过合理的工程处理，快速而准确地寻找简单形体目标各板块之间的相互遮挡关系，然后根据分析结果计算目标的RCS。文中以并排放置的锥柱组合体为例，在进行了电磁遮挡关系处理后，计算了其RCS，经与单一锥、柱RCS计算结果的比较，证明本文的电磁遮挡算法计算机时短，对简单形体目标的电磁遮挡处理行之有效。     

射线跟踪法的改进及其应用

研究复杂组合体目标后向散射场问题，并对射线跟踪法的典型算法进行改进，以提高计算精度和运算速度。推导精确的积分公式，用典型体目标对改进的算法进行验证，进而计算复杂组合体目标的后向散射场。矩形截面直进气道的计算结果不仅比学者Hao Ling的计算结果更为精确，而且计算速度提高了两倍。三面角反射器的计算结果与实验结果基本吻合。最后，计算了某型航母甲板上复杂目标组合体目标的RCS，并与近似法和像素法的计算结果进行了比较分析。     

环形燃烧室性能计算

在任意曲线坐标系下对包括扩压器和火焰筒在内的环形燃烧室三维两相反应流进行了数值模拟。燃烧室性能采用多维经验分析法估算所用的数学模型有 κ-ε,紊流模型 ,EBU -Arrhenius紊流燃烧室模型 ,六通量热辐射模型以及颗粒群轨道模型。在非交错网格体系下 ,气相采用 SIMPLE算法和液相采用 PSIC算法求解 ,通过两种工况和三种扩压器进口速度分布计算表明 ,所得的流场各气流参数分布和燃烧室性能较合理 ,本文所建立的程序可为燃烧室优化设计和研制提供有用数据。     

埋入式进气道设计

针对导弹用进气道的结构特点，提出了一种大偏距、短扩压的埋入式进气道设计方法，该方法通过变更进气道的中心线，面积规律、中心线的倾斜角及双组线喉道的设计参数，并采用进气道唇口光顺技术成功地实现了埋入式进气道设计的CAD化，该CAD技术与CFD技术的结合能大幅度地缩短埋入式进气道道设计周期，降低研制成本，实验结果表明，由该文提出的方法设计的埋入式进气道不做任何型面修改即可达到较好的气动性能。     

旋转冲压发动机冲压转子盘腔冷态流场数值模拟

旋转冲压发动机是一种没有叶片和活塞的基于冲压压缩技术的新概念发动机,冲压转子是其惟一的核心转动构件。通过应用商用CFD(NUM ECA)软件,基于三维定常N-S方程和B-L湍流模型,对旋转冲压发动机冲压转子盘腔冷态流场进行了数值模拟,着重分析了其旋转冲压压缩效果和流场结构。分析结果表明,冲压转子能有效实现超声冲压压缩,进气道激波结构类似于超声进气道,但略有差异;盘腔内流场结构是带有周边小旋涡回流和低压中心区的大旋涡结构,这种流场结构有利于燃油供应和燃烧组织。     

共轴旋翼高速直升机雷达散射截面计算及雷达吸波材料影响分析

为准确高效地预估共轴旋翼高速直升机的雷达散射特性,结合雷达吸波材料(Radar absorbing material,RAM)在隐身设计中的应用,开展了共轴旋翼高速直升机雷达散射截面(Radar cross section,RCS)特性及涂覆型RAM对其影响的研究。首先,基于计算涂覆目标表面散射的物理光学法(Physical optics,PO)和计算涂覆边缘绕射的等效电磁流法(Method of equivalent current,MEC),建立了计算RCS的高频方法,并通过涂覆了RAM的金属球和直升机矩形桨叶算例验证了其有效性。在此基础上,研究双旋翼、尾部螺旋桨、平垂尾和机身在鼻锥、侧向和尾追3个典型方位的雷达散射特性和强散射源分布,并采用局部涂覆RAM的方法进行隐身设计。研究表明:尾部螺旋桨、共轴旋翼桨毂及其整流罩部位、机身上曲率较大的鼻锥和尾部以及曲率较小的侧面护板是机身的重要强散射部位。在强散射部位涂覆RAM能有效降低高速直升机各方位双站RCS的均峰值,显著提升高速直升机隐身性能的效果。     

武装直升机雷达散射截面计算及雷达吸波材料影响分析

为提高直升机雷达散射特性预估的准确性,建立了目标雷达散射特性分析的计算电磁学(Computational electromagnetics method,CEM)方法,并开展了吸波涂层对直升机雷达散射截面(Radar cross section,RCS)特性影响的研究。首先,对复杂目标(例如直升机)进行几何建模和网格划分,获得空间网格单元上的电磁场信息,作为整个电磁场仿真分析的计算基础。然后,通过介质球和涂覆电磁介质导体球的算例对比,分析结合共形技术的时域有限差分法(Finite difference time domain,FDTD)在处理介质物体及涂覆涂层介质物体的有效性,结果表明FDTD方法计算结果与级数解吻合。在此基础上,计算和对比了金属旋翼以及涂覆吸波涂层旋翼的RCS特性,分析了典型方位角入射下全机涂覆前后对RCS特性的影响。研究表明:旋翼表面全涂覆雷达吸波材料(Radar absorbing material,RAM)后对直升机旋翼的RCS抑制效果明显,在全机强散射部位涂覆RAM可以显著地降低RCS特性,涂层的使用在直升机的隐身设计中起到关键的作用。     

填充各向异性介质二维开口腔体散射特性分析

应用非重叠型区域分解法(DDM)结合有限元法(FEM)和边界元法(BEM)分析了填充多层各向异性介质的二维开口腔体横电波(TE)散射特性。对腔体外的区域采用BEM法分析,将腔体内的每层介质作为一个子域,用FEM法分析,各子域间通过传输条件进行耦合。分别计算了腔体中填充各向同性和各向异性介质时的雷达散射截面,数值结果表明了该方法的有效性。采用这种技术,大大地减少了对计算机内存的需求。     

三维复杂腔体的时域有限差分法分析

在计算三维复杂腔体雷达截面的时域有限差分法中，提出了一种简单的计算域设置方法。它由腔壁和腔口面外侧的吸收边界围成，与包围目标的常用计算域设置方法相比，忽略了腔边缘的绕射作用，但具有节省计算机存储空间，无需额外抽取外腔壁对电磁波的散射。数值结果表明该设置方法是合理可行的。     

三维复杂目标求解的多层快速多极子方法

采用多层快速多极子方法(Multilevel fast multipole algorithm,MLFMA)求解混合场积分方程(Combined field integral equation,CFIE),并选择RWG型基函数,对金属带缝锥球体、三面角反射器以及钻石体的单站RCS(Radar cross section)进行了计算,计算结果与试验吻合良好.在此基础上计算了F-22缩比模型的单站RCS,其计算量、存储量分别达到O(NlogN)量级和O(N)量级,此方法适用于带有尖点和特别细长曲面的三维复杂目标,如战斗机外形的RCS计算分析.