高速飞行弹丸诱导的三维爆轰波数值模拟

采用三维非定常化学反应控制方程组对驻定在带攻角高速飞行弹丸上的斜爆轰波流场进行了数值模拟。对流项和化学反应项采用时间分裂法,分别用TVD格式和基元反应模型进行处理。计算结果表明三维数值模拟可以更准确的描述弹丸飞行攻角对爆轰波的形成及结构的影响,是进一步研究超驱爆轰推进技术的重要手段。     

汽油/空气两相脉冲爆震发动机触发爆震的研究

有效的触发爆震波是脉冲爆震发动机正常工作的关键所在。为了在多循环两相脉冲爆震发动机的缓燃到爆震转变过程中,有效的控制激波反射,成功的触发爆震。通过在爆震室内合理的排放障碍物来促进激波与火焰的相互作用,组织激波反射,适时的触发爆震,从而有效地缩短促发爆震的距离,并最终获得充分发展的爆震波。试验发现爆震管内同样的障碍物在不同的位置起到的作用不同。在直径58 mm,长度1275 mm的汽油/空气PDE爆震管内成功触发频率为50 Hz的爆震。      

超声速预混气的热射流起爆过程数值模拟

采用带有化学反应的Euler方程,对超声速预混气的热射流起爆过程进行了研究。在来流速度大于CJ(Chapman-Jouguet)爆震速度的情况下,射流所导致的弓形激波在爆震波起爆过程中起到了重要作用,而爆震波不稳定性导致横波的产生是决定能否完全起爆的关键因素。射流角度的改变能够影响到起爆的过程与驻定性质。随着射流角度的逐渐减小,会出现起爆后驻定、起爆后不能驻定以及起爆失败三种结果。     

非预混条件下的旋转爆轰燃烧室双波头演化过程数值模拟

针对旋转爆轰燃烧室双波头演化过程中流场结构变化的问题,对非预混条件下的旋转爆轰燃烧室从起爆到形成稳定的双波头过程进行了数值模拟研究。研究结果表明,从起爆到形成稳定爆轰过程,燃烧室主要经历了起爆、爆轰波对撞和稳定爆轰三个阶段；在爆轰波对撞阶段,首次对撞是两个爆轰波间的对撞,由于对撞点处缺少新鲜混合气,从而在对撞结束后衰减为两个压力波。第二次对撞是两个压力波间的对撞,因为在第二次对撞点附近存在新鲜混合气来支撑爆轰波的持续传播,故对撞结束后产生了一个爆轰波和一个较弱的压力波；第二次对撞发生后,燃烧室内的压力波反射叠加并形成局部高压区,此高压区压缩气体使气体温度升高,高温气体引燃混合气后,最终发展成为第二个爆轰波；稳定阶段,两个爆轰波均能稳定自持传播,爆轰波峰面压力可达1.45MPa,波后温度为2500K,爆轰波速度稳定在1738m/s,产生的推力与比冲分别为79.76N和2312.15s；斜激波的存在使燃烧室出口平面流场产生了较大波动。      

斜爆轰波系在受限空间内的演变及其临界条件的数值研究

作为一种面向未来高马赫数吸气推进技术的新概念发动机,斜爆轰发动机的运行依赖其稳定的宏观波系结构。本文针对斜爆轰发动机简化模型,采用多组分基元化学反应流动数值模拟技术,数值分析斜爆轰波系在受限空间内的宏观结构特征及其演变,并进一步分析爆轰波系结构转变的临界条件。研究结果发现,随着楔面角度的增加,依次出现四种结构：激波诱导燃烧,斜爆轰波双规则反射,回流区马赫反射,楔面燃烧。对于稳定的波系结构,楔面压缩角同时存在下临界、亚临界以及超临界三种极限条件,在波系演变过程还伴随激波规则反射和马赫反射的转变。     

突跃型与平滑型斜爆震波起爆机制数值模拟

采用带有化学反应的Euler方程,对突跃型与平滑型2种形态的斜爆震波(ODW)在起爆机制和结构特点等方面的差异进行了研究.结果表明:斜激波(OSW)后是否存在亚声速区是判定斜爆震形态的依据.当波后火焰抬升斜激波面使得亚声速区存在时,横向激波与三波点结构就会出现并形成突跃型斜爆震.当波后所有区域皆为超声速区时,波后火焰燃烧无法影响到上游激波面,则会形成平滑型斜爆震.通过斜激波关系式给出了横向激波形成所需的临界斜激波角度,只有当斜激波角度大于此临界角度时才能形成突跃型斜爆震波,反之则形成平滑型斜爆震波.      

斜爆震波起爆特性及其波系结构研究

本文通过对斜爆震波起爆特性及其波系结构的研究进展进行综合评述,分析其研究现状与存在的不足,指导未来斜爆震波的基础研究。首先总结了斜爆震波起爆和驻定特性研究进展,重点回顾了斜爆震波起爆准则和驻定条件,接着对斜爆震波的诱导区结构和波面胞格结构研究进行了总结,随后对斜劈构型对斜爆震波的影响研究现状进行了概述。综述表明,斜爆震波的起爆、驻定和波系结构还需持续开展研究,特别需要关注的是平面斜爆震波的起爆准则和驻定条件,在真实流动条件下更深入研究斜爆震波宏观结构和波面结构的形成机理,探索受限空间内斜爆震波起爆、反射和驻定特性。     

Criteria for hypersonic airbreathing propulsion and its experimental verification

Hypersonic airbreathing propulsion is one of the top techniques for future aerospace flight, but there are still no practical engines after seventy years' development. Two critical issues are identified to be the barriers for the ramjet-based engine that has been taken as the most potential concept of the hypersonic propulsion for decades. One issue is the upstream-traveling shock wave that develops from spontaneous waves resulting from continuous heat releases in combustors and can induce unsteady combustion that may lead to engine surging during scramjet engine operation. The other is the scramjet combustion mode that cannot satisfy thrust needs of hypersonic vehicles since its thermos-efficiency decreases as the flight Mach number increases. The two criteria are proposed for the ramjet-based hypersonic propulsion to identify combustion modes and avoid thermal choking. A standing oblique detonation ramjet (Sodramjet) engine concept is proposed based on the criteria by replacing diffusive combustion with an oblique detonation that is a unique pressure-gain phenomenon in nature. The Sodramjet engine model is developed with several flow control techniques, and tested successfully with the hypersonic flight-duplicated shock tunnel. The experimental data show that the Sodramjet engine model works steadily, and an oblique detonation can be made stationary in the engine combustor and is controllable. This research demonstrates the Sodramjet engine is a promising concept and can be operated stably with high thermal efficiency at hypersonic flow conditions.     

连续旋转爆震波细致结构及自持机理

基于化学非平衡流解耦方法和详细化学反应机理,在0.1mm的网格尺度下对连续旋转爆震波内流场和爆震波平掠惰性气体界面的传播过程进行了数值模拟。详细分析了连续旋转爆震波的空间结构,由于在出口侧无几何约束,受一系列稀疏波的影响,旋转爆震波强度受到不同程度的削弱,形状也发生了相应的变化。爆震波平掠惰性气体界面时的流场分布与连续旋转爆震波结构极为类似,对比研究了波前可燃气体层高度对爆震波结构和传播过程的影响,当爆震波高度较小时,其抵御惰性气体侧稀疏波衰减的能力弱,波阵面严重变形,爆震波解耦。若爆震波要稳定自持传播,其必须要达到一定的临界高度来抵御稀疏波的影响。     

斜爆轰波的波角和法向速度-曲率关系初探

为研究斜劈诱导斜爆轰波的波阵面弯曲效应，以期为斜爆轰的不稳定性及其演化规律提供新的见解，基于加权本质无振荡（WENO）格式空间离散和附加Runge-Kutta方法时间离散的求解器，针对不同的化学反应参数（释热量、放热速率和化学反应区参考长度）条件，开展斜爆轰波的数值计算研究。结果表明斜爆轰波沿波阵面的波角变化可分为3个区域：区域I，波角平滑减小；区域II，波角跃升后衰减；区域III，波角有规律振荡。波阵面法向速度-曲率关系在区域I呈现准垂直直线变化趋势，并伴随着爆轰波强度的不断衰减；在区域III则呈现出"D"形曲线，即由极曲线段、光滑水平变化段和拟线性变化段组成，为类胞格结构的周期性演变；区域II可认为是以上两个区域特征的耦合。不同的化学反应参数对斜爆轰波波阵面的弯曲效应影响存在较大差别。     

共用尾喷管多管脉冲爆震发动机数值模拟研究

采用基元反应模型和显式迎风TVD差分格式数值模拟方法,研究共用尾喷管多管脉冲爆震发动机(Pulse Detonation Engine,简称PDE)各爆震管之间相互影响.采用点隐算法解决化学反应引起的刚性问题,模拟了共用尾喷管内的流场,以及爆震波退化为激波遇到尾喷管收敛斜面反射及反射波向爆震管上游传播的过程.研究结果为多管PDE的共用尾喷管设计提供了理论基础.     

气相爆轰波马赫反射非自相似性特征的实验

为了研究在CJ(Chapman-Jouguet)状态下气相爆轰波马赫反射的非自相似性特征,搭建了由驱动段、传播段以及观测段组成的矩形管道;利用纹影和烟膜实验方法分别对3种预混气发生马赫反射现象进行了实验研究.实验结果表明:对稳态或非稳态气体,测量了马赫反射三波点位置高度,验证了马赫反射三波点轨迹线为波动的曲线,即自相似性对爆轰波马赫反射失效;非自相似性的重要特征是三波点轨迹线在楔角初始位置时基本遵循无反应冲击波理论计算结果,随后逐渐偏离并向有反应冲击波转变,之后接近平行于反应冲击波理论计算并稳定地处于两个理论值之间.最后给出在初始压力为10kPa和楔角为30°的条件下,对于所研究的3种气体,其马赫反射三波点发生转变的位置高度分别约为0.8,1.05cm以及0.5cm,可见相同初始条件下非稳态气体的马赫反射发生转变比稳态气体提前.      

激波绕射双方块加速诱导爆轰的数值研究

基于二维单步化学反应Euler方程,应用Roe/HLL混合格式以及自适应网格加密(AMR)技术,对方管中弱激波绕射双方块障碍物加速诱导爆轰现象进行了数值研究。计算结果表明,弱激波与双方块相互作用并发生绕射、碰撞可有效加速诱导爆轰,且在管道阻塞比为45%左右时可达到最佳效果,与相关实验结果相符。另外,研究了方块个数及排列方式对激波绕射加速诱导爆轰的影响,得到了最佳方块数量与方块排列方式。     

吸气式飞行器进气道唇口三维激波/激波干扰

对吸气式飞行器进气道唇口处三维曲面激波/弓形激波干扰流场进行数值模拟,利用典型三维气动干扰试验对采用的数值计算方法进行验证。利用拼接网格技术及逆距离加权插值方法获得入口处流场的非守恒变量,作为激波干扰研究的入口边界条件。数值模拟表明,唇口处激波干扰流动的三维效应十分显著,曲面激波与弓形激波产生斜交,尽管唇口前缘半径很小,但Edney提出的6类激波干扰类型可能沿唇口展向方向同时存在；第Ⅲ和Ⅳ类激波/激波干扰的诱导使得唇口热流分布异常严酷；激波相交处形成斜向“伤疤”状局部高热流条带,峰值热流达到参考热流的4~6倍,可能引起唇口结构的局部烧蚀或破坏。      

Investigation of hot jet on active control of oblique detonation waves

The hot jet injection is utilized to actively control the oblique detonation wave, such as initiating and stabilizing an oblique detonation wave at a desired position that is shorter than the length of induction zone, and adjust the height of the oblique detonation wave at the exit of combustor when the oblique detonation wave engine is working on off-design flight conditions. The fifth order Weighted Essentially Non-Oscillatory (WENO) scheme and a two-step reversible reaction mechanism of the stoichiometric H₂/Air are adopted in the simulations. With the help of hot jet injection, the transition from inert oblique shock wave to the oblique detonation wave immediately occurs near the position of hot jet injection, and consequently the length of combustor can be reduced. The angle of oblique detonation wave also decreases as the hot jet injection approaches the nose of wedge. Additionally, the height of the oblique detonation wave at the exit of combustor can be flexibly adjusted, and also depends on the injection position and the strength of the hot jet. If the velocity of the hot jet is too weak to directly trigger the overall oblique detonation wave at the position of injection, increasing the injection pressure will improve the strength of the hot jet and results in a successful transition.     

动态间断装配法模拟斜激波壁面反射

基于非结构动网格技术和边界装配思想提出了动态间断装配法,该方法能够应用于求解含有间断的流动问题。无论入射激波还是反射激波都是作为边界进行处理,激波运动速度由兰金-许贡纽(Rankine-Hugoniot)关系确定。激波作为动网格的一部分,其运动由动网格技术实现。采用该方法模拟了超声速二维流场中激波与壁面相交问题,并且与捕捉法进行比较,二者的流场结构符合良好,但是在细节上还是存在明显差异。通过对流动结构的分析,得出采用装配方法得到的流场要优于捕捉方法的结论。激波壁面反射的问题模拟,也说明了边界激波装配方法对于复杂的激波相交问题是具有处理能力的。     

旋转爆轰流场的数值模拟

基于带化学反应的二维Euler方程,采用氢气-空气的9组分19步基元反应简化模型,对充有当量比的氢气-空气预混气和空气的环形旋转爆轰流场,从点火燃烧到发展成旋转爆轰的过程进行了数值模拟。根据数值结果分析了波后流场中爆轰产物受激波、高温和离心力等作用而挤向外壁,形成有利于充入燃料,实现持续稳定旋转爆轰的流场特征。还讨论流场中爆轰波、激波与间断面和内外壁面反射或折射,从而形成多个激波相交的波系特征。为认识和理解旋转爆轰流场,开展旋转爆轰的实验研究等具有现实的指导意义。     

爆轰波穿越惰性气团时的透射激波参数分析

爆轰波穿越惰性气团再进入可燃混合气体时,透射激波的参数主要受到三个基本过程的影响:头激波两次穿越惰性气团与可燃气体之间接触面导致的激波强度下降、放热反应中止、爆轰波后稀疏波对激波的衰减作用。放热反应中止是透射激波衰减的主要原因,不同种类的惰性气体对透射激波参数影响不大。     

拉瓦尔喷管外发生激波反射工况详细分析

平面拉瓦尔喷管的环境压力与入口总压的比值从设计工况到第三极限工况(管口处为正激波)逐渐增大时,喷管外的激波现象不同.根据已知的激波反射理论,将设计工况到第三极限工况间的工作状况进一步细分为强斜激波工况、马赫反射工况、双解区和正规反射工况、并将由气流偏转角所表示的发生正规反射和马赫反射的条件用环境压力与总压的比值来表示,找出了强、弱斜激波的环境压力与总压比值的临界值,得到这些临界值随着喷管面积比的变化趋势.最后针对面积比为5的平面拉瓦尔喷管,由理论分析得到其管外发生正规反射、马赫反射、强斜激波反射时对应的压比分别为:0.0841,0.0959和0.2005,并用数值模拟来验证理论分析的正确性.      

轴向入射激波反射聚焦的实验和数值模拟

为研究两级脉冲爆震发动机凹腔入口宽度对第2级凹腔中激波聚焦过程的影响，设计轴向入射激波聚焦的实验系统，对不同入口宽度下激波反射聚焦的过程进行了实验和数值模拟。采用纹影系统拍摄凹腔中的流场结构，并测量了凹腔顶点处的动态压力。采用保持强稳定性（SSP）的Runge Kutta格式、weighed essential non oscillation（WENO)格式和块结构网格自适应加密（SAMR）算法对激波反射、衍射和聚焦的过程进行了数值模拟，数值模拟结果和实验吻合较好。通过分析比较相同马赫数激波通过不同宽度凹腔的反射聚焦过程，发现较小宽度凹腔入口下激波反射和聚焦较强，顶点的压力峰值较高，激波聚焦诱导的射流较强。