高超声速低温喷管横向射流混合反应过程的非定常数值模拟

基于混合RANS/LES (Reynolds averaged Navier-Stokes/large eddy simulation)方法模拟了高超声速低温(HYLTE)喷管倾斜入射横向射流的非定常混合反应过程,研究了不同副喷管喷射角和副喷管间距对射流穿透、混合以及总压损失的影响.计算表明,射流穿透深度和混合程度随着副喷管喷射角的增大而增大,但是总压损失也随之增大;副喷管间距增大,燃料射流的穿透深度增大而且总压损失略有减小,但反转旋涡对(CVP)的集中会造成射流与来流的接触面积减小,侧面混合变差.因此优化副喷管喷射角和间距对于提高HYLTE喷管混合性能乃至激光器光学性能都十分重要.通过模拟HYLTE喷管和光腔耦合区域的12组分23方程的反应流场发现,在中心线附近有较强的小信号增益系数,混合RANS/LES相比RANS方法更能反映流场变量的细节变化.      

波瓣引射-混合器特性参数影响的数值研究和验证

运用不可压缩流动Navier—Stokes方程,对波瓣喷管引射-混合器的流场和引射特性进行了三维数值研究。在计算过程中,主流进口采用质量流量边界条件,二次流进口和混合流出口采用压力边界条件,均设置为环境大气压力。与相关的实验结果对比表明本文的计算方法可以有效地预测引射流量比和混合流场。针对混合管的结构参数开展了系列研究,获得了混合管截面比和长径比对于引射系数和热混合效率的影响趋势。     

气冷径向稳定器张角对混合扩压器性能影响

针对一种混合扩压器和气冷径向稳定器一体化新型结构,基于N-S方程建立了流场三维数值计算模型,研究了气冷径向稳定器张角变化对混合扩压器流场、流阻特性和混合特性的影响规律.结果表明:随着气冷径向稳定器张角的增大,混合扩压器的静压恢复系数逐渐减小,混合扩压器的流阻系数和压力损失系数均逐渐增大；在混合扩压器出口截面处,随着气冷径向稳定器张角的增大,总压恢复系数逐渐减小,总压恢复系数的最大值与最小值相差0.0032.热混合效率逐渐增大,热混合效率的整体变化范围为0.7268~0.8857.      

波瓣尾缘切角对涡扇发动机混合排气系统气动热力性能影响

为了获得尾缘切角对涡扇发动机波瓣强迫混合排气系统的流场、热混合效率、总压恢复系数以及推力系数的影响,以涡扇发动机波瓣强迫混合排气系统为研究对象,采用基于Navier-Stokes方程的三维数值模拟方法对不同波瓣尾缘切角模型进行了计算并得到了气动热力性能的影响规律.结果表明:较大的尾缘切角造成在尾缘截面前主次流更早的提前混合,使流向涡的产生和发展在位置上向上游提前,以至于在尾缘截面之后的一定范围内混合效率更高.但大尾缘切角同时也造成较大的能量损失,以至于总压恢复系数较小,总的混合效率偏低:相比0°切角,25°切角的总压恢复系数减小了0.34％,热混合效率减小了11％.适当的尾缘切角修形可以增大推力系数.     

后掠角度对超声速混合的影响

通过采用隐式方法求解三维、粘性、湍流 Navier-Stokes方程及组分方程 ,对以氢气为燃料的超燃冲压发动机燃烧室模型进行了数值模拟 ,分析了不同后掠角度对于超声速混合的影响。计算结果表明后掠斜坡产生的流向涡的强度以及混合增强效果优于无后掠斜坡 ,并随着后掠角度的增加而增强 ,但总压恢复系数随后掠角度的增加逐渐降低      

缓变过渡段几何外形对实验段内气动力特性的影响

本文提出了一种计算高速风洞三维过渡段的气动特性的方法。本方法是以一维管流解为基础,并通过坐标变换,将变系数的线化速度势方程化为波动方程(对超音速流)或拉普拉斯方程(对亚音速流),然后用有限基本解法求解。本文着重讨论了超音速流求解的过程。在超音速流时,对矩形实验段区域,则采用分离变数法求解。作为例子,计算了由圆变方的超音速流过渡段,得出了三维变化对实验段气流参数的影响。     

低雷诺数κ-ε封闭模式在三维湍流边界层计算中的应用

本文采用低雷诺数形式的k-ε湍流模型,计算具有大横向流的不可压缩三维湍流边界层。在湍流模型中,应用了涡粘性的各向异性系数。本文所得结果与用混合长模型所得结果以及量测结果的比较表明:对于边界层的不同特征量,湍流模型和涡粘性各向异性对计算结果的影响程度是不同的。总的来说,应用考虑涡粘性各向异性的k-ε模型,较之应用混合长模型,所得计算结果有所改善,但还不是根本性的改善。     

三维超声速混合层内标量混合的大涡模拟

对三维对流马赫数0.62的超声速混合层流动的标量混合进行大涡模拟, 控制方程对流项采用五阶精度的WENO格式求解, 小尺度涡的作用采用一方程LDKM亚格子模型处理, 过滤后的组分方程中的亚格子组分对流通量采用梯度扩散模化.模拟得到了混合层流场大尺度拟序结构以及标量场的演化过程, 研究表明标量混合过程受混合层内涡系演化所控制, 标量场具有明显的三维特征.模拟得到的速度、组分及其脉动的统计时均结果和实验结果相符较好.      

抛物形喷管的激光推进能量相似律数值研究

针对吸气式抛物形喷管,通过辐射输运方程和流体力学方程联立求解,计算激光能量沉积过程中的爆轰波流场,并采用高温平衡气体模型计算后续的激波流场,得到了不同构形的喷管在不同条件下的冲量和冲量耦合系数。提炼了耦合多种影响因素的无量纲因子,讨论了入射激光能量和喷管构形对推进性能参数的影响,建立了抛物形喷管激光推进的能量相似律。结果表明:当顶点到出口最外侧点连线和对称轴的夹角固定时,冲量和冲量耦合系数随无量纲因子先增大后减小,在0.37附近取得极大值;当无量纲因子固定时,冲量和冲量耦合系数均随夹角增大而减小,冲量随入射激光能量增加而增大,冲量耦合系数受能量的影响程度很小。     

旋转爆震三维非预混混合特性及流场结构研究

为深入研究旋转爆震三维非预混流场结构,基于7组分8步反应的化学反应模型,开展了H2/Air旋转爆震流场的数值模拟研究,计算中考虑了黏性的影响。计算结果表明:该喷注结构在冷流流场中混合效果较好,能够在较短距离内实现燃料和氧化剂的充分混合,但起爆后燃烧室内形成的高压环境使得外壁面附近来流可燃气难以到达,可燃气体层主要靠近燃烧室内壁面;旋转爆震波沿燃烧室内壁面周向传播,爆震波后沿径向和周向方向形成"双诱导激波"结构,并进一步导致爆震波后出现高温区和高压区"不吻合"的流场现象;在燃烧室入口截面,爆震波后形成"三诱导激波"结构,诱导激波通过空气环缝向上游传播并对来流燃料和氧化剂的喷注产生影响。     

COIL化学非平衡流动的一种解耦方法研究

提出了一种计算氧碘化学激光器化学非平衡流动的解耦方法.求解二维可压缩非定常N-S方程及组分连续方程,计算氧碘化学激光器中的组分混合反应流场.空间离散格式为AUSM up格式,用四步龙格-库塔方法作显式时间推进.假设混合气体为热力学完全而热值非完全气体,化学反应模型采用有限速率反应模型.使用一种"点隐式"方法来处理化学源项的刚性问题.计算结果表明本文方法可以有效解决计算中的刚性问题,与现有隐式算法相比减少了大量的矩阵运算,公式推导简单,易于实现和改进.     

亚燃/超燃双重燃烧冷态掺混的数值模拟

通过求解完全的二维Ｎ－Ｓ方程组，对亚燃／超燃双燃烧室冲压发动机超音燃烧室的冷态掺混合性层流流动进行数值计算，采用ＭａｃＣｏｒｍａｃｋ两步显式格式分析一般音速来在股超音速气流间掺混的流动特征，并用代数法生成计算网络。给出的三组算例与文献（１）的实验结果进行对比，结果令人满意。     

采用斜坡凹槽稳焰器强化H2超燃的数值研究

用迎风TVD格式求解三维多组分体系的全N－S方程，化学反应源项采用点隐处理，H2和空气的超燃模型用11组分、23步基地反应模型描述，得到了凹槽燃烧室不同截面组元、当量比、压力、温度等值线和速度场的分.布计算结果表明：凹槽稳焰器的回流区可提供高温自由基，有助于超燃点火；火焰在凹槽内和凹槽后斜坡的尾迹中驻定。结果对定量认识凹槽H2超燃流场、设计高效率和优化结构的一体化凹槽有着重要意义。     

采用斜坡凹槽稳焰器强化H_2超燃的数值研究

用迎风TVD格式求解三维多组分体系的全N S方程 ,化学反应源项采用点隐处理 ,H2 和空气的超燃模型用 11组分、 2 3步基元反应模型描述 ,得到了凹槽燃烧室不同截面组元、当量比、压力、温度等值线和速度场的分布。计算结果表明 :凹槽稳焰器的回流区可提供高温自由基 ,有助于超燃点火 ;火焰在凹槽内和凹槽后斜坡的尾迹中驻定。结果对定量认识凹槽H2 超燃流场、设计高效率和优化结构的一体化凹槽有着重要意义。     

用四阶Runge-Kuta法和TVD格式求解两维跨超音流场

利用坐标转换给出两维任意曲线坐标系下雅可比矩阵特征值、特征向量及Harten型TVD格式的详细表达式, 并结合四阶Runge-Kuta法发展了一种新的、有效的求解超音、跨音流场的算法。数值计算表明, 本文的方法可有效地求解跨音流场。      

超声速化学反应流动的LU-SGS伪时间迭代空间推进求解

介绍了求解超声速多组分有限速率化学反应流动的伪时间迭代(lower-upper symmetric-Gauss-Seidel,LU-SGS)方法.空间推进求解多组分抛物化(parabolized Navier-Stokes,PNS)方程时,在一个推进面上采用修正的LU-SGS方法迭代至收敛,把得到的结果作为初值赋给下一个推进面.沿推进面依次迭代直至求解完整个流场.采用伪时间迭代LU-SGS方法求解化学反应PNS方程,计算结果的准确性和时间迭代求解完全Navier-Stokes(N-S)方程相当,求解效率提高一个数量级.      

化学反应动力学对超声速燃烧的影响

非平衡化学反应是超声速燃烧中非常重要的过程,其反应动力学模拟直接影响其内部温度分布。针对某支板氢燃料超声速燃烧室,分别采用了单步化学反应动力学、7组分8步反应和9组分19步反应动力学模型,对比了燃烧反应速率、内部温度场和速度场的分布。结果表明,采用详细化学反应动力学,燃烧热释放缓慢,在流场中下游自由基参与反应,其温度场与试验值吻合更好。     

再人体复杂外形无粘流场数值计算研究

本文在文[1,2,3]的基础上研究了非定常Euler方程的推进迭代方法,并将无波动、无自由参数的耗散差分格式(下称NND格式)发展为隐式、迎风格式,用以计算有差曲控制翼的再入复杂飞行器的育攻角、有侧滑角的超声速无粘绕流流场。其结果是准确的。本文的方法具有以下特点: 1.可以在同一计算程序中实现亚跨超流场的计算:在超声速区域,采用推进技术;在亚跨声速区,则自动选择推进迭代求解技术。 2.NND格式不仅具有公式简单,无自由参数的特点,而且过激波时满足熵条件,不会产生非物理解,也不发生振荡。 3.隐式差分格式的无条件稳定和Gauss-Seidel迭代的快速收敛,计算省时。 本文的方法曾用于烧蚀头部凹陷外形和航天飞机简化外形的计算,能自动选择迭代和推进区域。可以预言,如计算机条件许可,本方法可以用于大攻角的无粘流场计算。     

超音速多圆弧(MCA)叶型叶珊的研究

本文提出了含脱体激波的叶栅有旋超音速流场的特征线起始线计算方法。采用激波嵌入法解完全的欧拉方程,计算了含脱体激波的多圆弧叶栅的超音速进口流场。本文发展了一种将超音速流场计算与亚音速扩散损失计算的尾迹法相关联的计算超音速叶栅损失的方法,可分别确定激波损失和亚音速扩散损失。      

喷流流场旋涡激波干扰的数值模拟研究

本文采用隐式CSCM格式,通过数值求解NS方程,对平板上二维超声速主流中横向喷流流场进行了数值模拟,并与实验和其它计算结果进行了分析比较,结果令人满意。