壁板的非线性热稳定分析

<正>壁板热颤振~([1])一般指在超声速气流中,由于惯性力、弹性力、流经壁板表面气流引发的气动力和摩擦产生的热应力耦合作用下壁板产生的一种自激振动现象。在实际研究中发现,当受热壁板发生颤振时,壁板横向振动的振幅大小与壁板的厚度数量级相当,此时属于大变形,壁板的面内张力与壁板的横向位移出现了一种非线性的关系。过去几十年,对于受热板的非线性振动分析受到了很     

超声速气流中受热壁板的二次失稳型颤振

研究了超声速气流中受热壁板的非线性气动弹性响应,发现了一种新的动态失稳现象——二次失稳型颤振。基于von Karman非线性应变-位移关系、Reissner-Mindlin板理论和一阶活塞理论建立超声速气流中三维壁板的有限元模型。通过数值算例,研究了超声速气流中受热壁板发生二次失稳型颤振的条件,并运用非线性振动理论分析了二次失稳型颤振的机理。研究表明,超声速气流中受热壁板在平衡态的稳定性未发生变化时,也会因系统参数的变化引起气动弹性响应性质的突变,导致壁板的二次失稳型颤振。二次失稳型颤振能否发生不仅受到气流速压和壁板温升的影响,而且还与初始扰动有关。当扰动引起壁板的初始变形较小时,不能激发出二次失稳型颤振,壁板的气动弹性响应最终收敛到屈曲平衡态。应用二次失稳型颤振理论和分析方法,确定了前人给出的一个金属壁板模型的热颤振边界的风洞试验结果,而且计算结果与试验结果符合良好,从而对这一壁板热颤振现象的风洞试验结果作出了较合理的理论解释。     

隔板截面造型对超声速膨胀器流场及性能的影响

采用三维雷诺平均N-S方程和标准k-ε湍流模型,在设计工况下对3种隔板截面形状的超声速膨胀器的三维流道流场进行了数值研究.结果表明:矩形截面形状的超声速膨胀器近吸力面区域气流速度大,斜激波之后流动损失低,等熵绝热效率较高;正梯形截面形状的超声速膨胀器出口平均绝对马赫数、静压比以及膨胀比大,综合性能相对最优;角区附面层分离、回流形成的低速气流团以及斜激波所导致高速气流的增压过程是出口流动损失的主要来源;优化隔板沿径向的结构,超声速膨胀器的综合性能有望进一步提高.      

准稳定三波结构的研究

对超声速流中准稳定三波结构进行了研究，该结构中主激波以一定的速度D沿超声速流运动，它不但引起相应的反射激波运动而且会使激波后气流中的一系列气动力参数发生变化，包括总压、总焓和熵等。本研究给出了这些量与入射激波强度之间的关系。在一定的速度D的情况下，给出了三波结构的力学相容性条件是可以被破坏的。     

背压脉动引起的超声速进气道流固耦合振动分析

冲压发动机燃烧室压力脉动对进气道形成背压脉动,影响了进气道内流动的稳定性。采用数值仿真方法,研究了背压脉动作用下超声速进气道内非定常流动与局部弹性壁板的流固耦合振动问题,分析了壁板阻尼对进气道流固耦合振动问题的影响。结果表明,弹性壁板振动形成了"动态空腔"效应,大幅降低了激波串振荡幅值,增加了非定常流动稳定性。其中,无阻尼弹性壁板模型的激波串振荡幅值下降为刚性壁板模型结果的45.6%。通过增加壁板阻尼的方式,能够增强壁板振动的"动态空腔"效应。当刚度比例阻尼系数为10~(-4)时,激波串振荡幅值降为刚性壁板模型结果的43.7%。     

基于膨胀波效应的高超声速进气道肩部流动分离控制研究

为改善高超声速进气道唇口激波/附面层干扰诱导的肩部流动分离，从膨胀波及激波理论出发，推导出了膨胀波效应影响下的斜激波附面层干扰理论公式，获得了影响斜激波诱导分离的主要因素：膨胀角梯度、激波角及波前马赫数。在此基础上，开展了膨胀波效应影响下的流动分离控制研究，给出了膨胀波效应影响下斜激波诱导分离的判别及预测方法。结果表明：增大激波入射点处膨胀角梯度，可以显著减小甚至消除肩部流动分离；随着激波角增大，激波强度及逆压力梯度增加，分离区尺寸显著增大。而波前马赫数对分离区尺寸的影响不显著；在进口马赫数3.57～5.18，唇罩角度6°～10°范围内，当激波入射点处逆压比梯度小于250 m-1时，斜激波诱导的流动分离消失，可为改善超声速/高超声速进气道内流道流动分离提供技术支撑。     

超声速流中三波结构的参数优化研究

对三波结构的参数进行了探讨，给出了在反射激波和主激波后一些气动力变量的比值存在极值，文中称这种结构为优化结构，当给定气流的马赫数时，理论上就可确定优化三波结构的入射激波强度和存在区域，这可为一些超声速气动装置的设计提供参考依据。     

高超声速飞行器受热壁板的气动弹性声振分析

高超声速飞行器壁板在非定常气动力、热载荷和噪声载荷构成的多物理场联合作用下,将表现出复杂的非线性气动弹性声振响应,特别是在颤振临界动压附近,受热载荷以及声载荷作用,壁板表现出复杂的跳变运动。基于von Karman大变形板理论,建立了热-声载荷和气动力共同作用下的壁板运动方程,分析了超声速气流中受热壁板的屈曲变形及热屈曲稳定性,借助势阱概念初步分析了壁板跳变运动产生的机理。通过定义“穿零频次”给出了跳变运动定量的分类方法,并计算得到不同温升和动压情况下,壁板发生跳变运动所对应的临界声压级。结果表明：在颤振临界动压之前,随着动压的增加,受热壁板势阱的深度先增大后减小,且受热壁板的势阱深度随着温升的增加而增大。     

间隙高度对超声速膨胀器流场及性能的影响

采用三维雷诺平均N-S方程和标准k-ε湍流模型,对不同间隙高度超声速膨胀器的流场和性能进行了数值研究,结果表明:间隙高度显著影响三维流道内的局部流动特性和超声速膨胀器的整体性能,随间隙高度增加,气流最高相对马赫数降低,高速区范围逐步缩小;泄漏涡增强,尺度变大,横向和径向运动明显,泄漏损失增加,但激波及激波附面层相互作用的损失降低;超声速膨胀器的膨胀比先增大后减小,等熵绝热效率持续降低.下端壁、吸力面附近低能流体之间以及与壁面的摩擦损失和间隙泄漏损失是有间隙超声速膨胀器三维流道内损失的主要来源,超声速膨胀器的间隙高度宜在0.9%h₀~1.5%h₀之间选取.      

基于弯曲激波压缩系统的高超声速进气道反设计研究进展

总结了近十年来弯曲激波压缩研究的主要成果。提出了弯曲激波压缩系统的新概念,即利用特殊设计的楔形弯曲压缩面或空间弯曲压缩面,产生一系列与前缘弱激波相互交汇或叠加的压缩波系,从而使前缘激波弯曲,形成特殊的弯曲激波,它与波后的等熵压缩波来共同完成对气流的压缩。在此基础上,实现了由给定出口气动参数的超声速内流道反设计,实现了由给定压缩面压力分布和给定压缩面马赫数分布要求的型面反设计,实现了由给定激波波面的压缩型面反设计。研究证明,弯曲压缩面-弯曲激波压缩系统具有良好的综合气动性能,为高性能高超声速进气系统的气动设计提供了一种全新的设计方法。     

顶部间隙对超声速膨胀器流动特性的影响

隔板与机匣之间留有间隙,间隙的存在势必会对超声速膨胀器的内部流场和总体性能产生影响,为了获得超声速膨胀器内部间隙流动的流动细节,采用三维雷诺平均Navier-Stokes方程和标准k-ε湍流模型,就顶部间隙对超声速膨胀器流动特性的影响进行了数值研究。结果表明:膨胀流道出口斜激波导致吸力面压力高于压力面,隔板尾缘附近部分泄漏流体经间隙流回压力面侧;间隙的存在导致吸力面进口及中、后部近下端壁压力上升,而压力面前缘附近压力下降,对比同一隔板位置,间隙高度每增加1%喉部高度,超声速膨胀器隔板载荷系数最高下降2.6%;端壁损失和斜激波损失降低,但产生了泄漏损失,三维流道内总的流动损失增加,膨胀器效率降低,本文研究范围内效率最多下降8.8%;马蹄涡、泄漏涡及二者之间的相互作用是顶部区域的主要涡系结构;前缘附近气流经间隙流到吸力面侧和尾缘附近泄漏流体越过间隙重新流回压力面侧是间隙内气流的主要运动形式。     

跨声速涡轮叶栅激波损失控制方法

为了降低高负荷跨声速高压涡轮激波损失,发展了针对性的涡轮叶栅激波控制方法。针对吸力侧激波,提出可控膨胀设计概念,结合基于曲率的叶型设计方法,通过调整吸力面曲率分布以控制气流膨胀力度,减小了尾缘激波前马赫数,有效减弱了吸力侧激波强度和叶栅出口压力不均匀程度。针对压力侧激波,发展了消波设计方法,在吸力面的激波作用区域设计一鼓包型线,利用鼓包迎风面压缩波的预增压作用和外凸面膨胀波的消波作用,有效抑制了激波/边界层相互干扰,显著削弱了反射激波强度。可控膨胀设计和消波设计对叶栅尾缘两道激波的控制作用相互独立,可单独采用,当两种方法相结合时,吸力侧激波强度降低了29.66%,叶栅出口压力不均匀程度减小了29.28%,总压损失系数减小了12.11%。      

活塞理论气动力静压修正方法及其在曲壁板颤振分析中的应用

提出了一种采用计算流体力学(CFD)计算的压力分布对活塞理论气动力进行静压修正的方法,将该方法应用到曲壁板的静气动弹性变形及颤振稳定性分析中,并与采用曲率修正活塞理论气动力的计算结果进行了对比.分析结果表明,采用本文提出的活塞理论气动力静压修正方法进行曲壁板的气动弹性分析,在圆柱曲壁板曲率较小的情况下,与采用曲率修正活塞理论气动力方法得到的静气动弹性变形、稳定性边界差别不大;而在曲率较大时,采用本文方法计算得到的曲壁板静气动弹性变形,其曲壁板靠近前缘部分被压的更低,而曲壁板的颤振稳定性边界更小,且这种差别随着圆柱曲壁板曲率的增加而不断增大.该方法突破了曲率修正活塞理论的小曲率限制,扩大了活塞理论气动力在曲壁板颤振分析中的适用范围.     

大膨胀比跨声速涡轮流动结构及损失的数值研究

为了揭示跨声速大膨胀比涡轮损失的主要特点和两种不同尾缘冷却方式对损失的影响,以典型大膨胀比跨声速涡轮和跨声速叶栅为研究对象开展了数值研究。研究发现大膨胀比跨声速涡轮的主要损失是叶型损失,占到总损失的65%左右,尾缘激波损失是叶型损失的主要来源。尾缘全劈缝冷气入射通过提高尾缘基压区基压来减少尾缘膨胀波对气流的加速程度,从而降低最高马赫数和激波损失,尾缘压力面劈缝冷气入射通过改变叶片尾缘压力面激波波系结构,使原来的一道激波变成两道或者两道以上的弱激波,从而减少激波损失。两种尾缘冷气方式都有利于降低大膨胀比跨声速涡轮激波损失,但压力面劈缝冷气入射方式效果更为明显。     

基于流固耦合的激波/边界层干扰作用下壁板颤振特性

为了解激波/边界层干扰作用下壁板气动弹性及其对流动分离的影响，采用自主开发的双向流固耦合求解器，对不同激波冲击位置下壁板的振动响应和流动特性进行了数值模拟研究。壁板几何非线性运动方程采用有限差分法求解，基于有限体积法求解Navier-Stokes方程组，对流通量采用MUSCL和AUSMPW+格式离散，双向流固耦合采用交错迭代算法。研究结果表明：激波/边界层干扰作用下壁板振动位移先增大后减小，经若干振荡周期后达到稳定颤振状态，呈现二阶振动模态，壁板变形相对于激波冲击位置呈现非对称性，壁板前部分的振幅始终小于壁板后部分；激波冲击位置可显著改变壁板的颤振振幅、频率及分离区长度，当激波冲击位置靠近壁板两端时，壁板振动最终收敛达到静稳定状态；壁板振动响应与流场特征不随激波冲击位置的改变而单调变化，对于激波冲击位置x/a=0.35工况，壁板颤振可有效抑制激波/边界层干扰流动分离。     

等离子体气动激励控制超声速边界层分离的实验研究

等离子体气动激励与超声速气流相互作用已成为高速流动控制领域的研究热点。激波与边界层相互作用现象广泛存在于超声速飞行器之中。本文进行了等离子体气动激励控制压缩角区和激波诱导边界层分离的实验,通过流场纹影显示和壁面静压测量,研究等离子体气动激励如何影响激波、激波如何影响边界层特性的科学问题。实验结果表明:施加毫秒量级表面电弧放电能够前移压缩角区的诱导斜激波,使分离区后移,分离区域增加,但激波强度减弱,流场总压增加;施加微秒量级表面电弧放电能够抑制激波诱导边界层分离,使分离区减小,流场总压减小。基于实验结果,认为毫秒量级表面电弧放电激励控制超声速气流的主要机理为放电过程的焦耳热效应;微秒量级表面电弧放电激励控制超声速气流的主要机理为焦耳热效应和冲击波效应共同作用。     

高速飞行器壁板颤振分析的研究进展

壁板颤振是壁板结构在高速气流中发生的一种自激振动现象，特别是超音速和高超音速飞行器上特别容易发生这种现象。壁板颤振引发的非线性振动将对高速飞行器结构的疲劳强度、飞行性能和飞行安全带来不利的影响。随着高速飞行器研发工作的开展，壁板颤振问题将得到越来越多的重视。根据目前国内外高速飞行器壁板颤振的研究现状，介绍了壁板颤振的六种分析模型并从结构理论和气动力理论出发详述了这种分类的依据。阐述了温度、气流偏角、壁板几何尺寸及边界条件对壁板颤振的影响规律。并介绍了目前用于分析壁板颤振问题的频域和时域方法并总结了各种分析方法的优缺点。最后归纳了目前对高速飞行器壁板颤振研究得出的几个重要结论，提出了今后在高速飞行器壁板颤振研究中需要解决的若干问题。     

超/高超声速飞行器动态稳定性导数极快速预测方法

飞行器设计早期阶段需要预测大量工况下的动导数。本文发展了一种面向超/高超声速飞行器的动导数极快速预测方法：首先基于当地流活塞理论，将飞行器进行小幅非定常运动所受到的气动力分为受自由来流引起的无附加扰动项以及受物面变形或运动引起的附加扰动项；通过当地表面斜度法、激波后等熵关系求解物面当地流动参数，进而结合非定常运动规律求出飞行器所受非定常气动力；再采用待定系数法对非定常气动力进行提取、辨识，最终得到超/高超声速飞行器动导数。该方法克服了传统方法对CFD流场参数的依赖和耦合，具有极高的计算效率；同时典型算例验证表明，该方法在超声速、高超声速工况下都能够很好预测动导数变化趋势。将该方法应用于复杂外形飞行器动导数预测，并讨论了与CFD方法的误差来源。本文方法可作为高速飞行器总体设计阶段布局选型的工具。     

粘弹壁板颤振的非线性动力特性

研究粘弹材料壁板在超声速气流作用下颤振时的分岔及混沌等复杂动力学特性。采用von Karman大变形理论及Kelvin粘弹阻尼模型建立壁板的动力学方程,通过线性活塞理论建立气动力模型。利用迦辽金法将壁板颤振模型转化为常微分方程组,并使用Gear的BDF方法进行数值求解。通过数值模拟研究了该系统在粘弹阻尼作用下的动力学行为以及粘弹阻尼的影响。计算结果表明,粘弹壁板颤振系统表现出丰富的动力学行为,其二次分岔特性很复杂。随着粘弹性阻尼的增大,系统的稳定解区域在减小,而静态屈曲解几乎不受影响,同时发现混沌运动区域也随着粘弹阻尼的增大而减小。     

燃气舵外围流场计算

对燃气舵沿气流方向的横截面进行其外围的二维流场计算。计算中将燃气舵外围流场划分成三个区域,I区为钝头体头部绕流脱体激波后的亚跨声速区,Ⅱ区为脱体激波后的超声速区,Ⅲ区为膨胀波后的流动区。对各个流动区,分别用条带法、特征线法和普朗特尔-迈耶公式计算,获得各区的流动参数,为燃气舵的气动力、气动加热、烧蚀、传热、应力等计算提供流场数据。