非平衡流计算方法及其模拟激波诱导振荡燃烧

给出一种数值模拟高超声速化学非平衡流动的计算方法，采用流动项与化学反应生成源项解耦处理，即可以有效地解决非平衡流动计算中遇到的刚性问题，还具有公式推导简单和应用方便的优点。从薄层近似N－S方程出发，采用ENO差分格式，数值模拟了超音速H2／Air预混合气体钝体绕流场，较好分辨出流场中激波诱导振荡燃烧非定常流动现象，表明计算方法具有较高的精度。对计算方法的效率和网格数的影响也进行研究。     

冲压加速器燃烧流场的数值模拟

本文利用ＥＮＮ格式,通过求解包含非平衡效应的完全Ｎ－Ｓ方程,数值模拟了超声速燃烧流动中很有兴趣的Ｈ２／Ａｉｒ斜爆轰波冲压加速器的绕流。     

热力学非平衡对超燃冲压发动机冷态流动影响研究

随着流动马赫数和温度的变化，热力学非平衡对流动的影响也在变化。为研究热力学非平衡对不同飞行马赫数条件下的超燃冲压发动机冷态流动的影响，对三个经典的超燃冲压发动机模型，包括JAXA Ma12-02超燃冲压发动机，DLR超燃冲压发动机，以及Hyshot II超燃冲压发动机进行数值模拟。针对每个超燃冲压发动机，分别采用三种热力学模型进行模拟，包括量热完全气体模型（对应冻结流动），单温度模型（对应热力学平衡流动）以及双温度模型（对应热力学非平衡流动）。计算结果表明，热力学模型对超燃冲压发动机内流波系结构的位置有一定影响：从整体上来说，双温度模型计算所得波系位置比量热完全气体模型计算结果靠后，比单温度模型计算结果靠前；不同热力学模型计算所得波系位置在发动机前段相对较为接近，而随着向下游发展，波系位置的差别逐渐增大，这是上游每一道波系位置的差别逐渐累积的结果；在发动机前段，双温度模型计算所得波系位置更接近于量热完全气体模型计算结果。通过分析不同热力学模型计算所得激波角可以对此进行解释。而就本文涉及的三个小尺寸超燃冲压发动机而言，热力学模型对气动力和力矩的影响相对较小。不同热力学模型计算所得气动力和力矩的差别主要来源于计算所得激波串位置的差别。     

非均匀入口与化学非平衡效应对尾喷管性能的影响研究

基于煤油燃料超燃冲压发动机尾喷管,对均匀入口和非均匀入口、冻结流动模型和化学非平衡模型下的尾喷管内流动进行数值模拟,采用两方程RNG k-ε湍流模型对三维NS方程组进行求解,获得非均匀入口与化学非平衡效应对尾喷管性能的影响。计算结果表明,尾喷管内流动非均匀性由尾喷管非对称膨胀和燃烧室出口非均匀等因素构成,尾喷管入口流动参数非均匀分布对尾喷管推力、升力及俯仰力矩均有影响,算例中非均匀入口使得尾喷管净推力相对于均匀入口增加了1.2%左右;尾喷管性能受化学非平衡效应的影响,非平衡流动模型下的其净推力计算结果相对于冻结流动模型增加3%~4%。     

化学非平衡流动解耦算法的回顾与新进展

超声速化学非平衡流动的数值模拟一直是计算流体力学领域的难点,主要体现在如下几个方面：物理过程非常复杂,存在着激波、燃烧波等各种复杂波系的相互作用;超声速化学非平衡流动属于典型的时空多尺度物理问题,其控制方程存在严重的刚性,给数值求解带来了很大困难。对国内外的解耦算法研究现状简单综述后,主要介绍1993年刘君提出的解耦算法的理论基础,流动方程采用冻结流模型,源项方程模拟流体微团在当地绝热、定容的热力学系统内发生的化学反应过程。通过引入两个中间变量,即等效内能和等效比热比,将与温度无关的生成焓从流动方程组能量项中分离出去,源项方程组中包含等效内能,使用不同算子对流动方程和源项方程解耦求解。与传统解耦算法相比,源项方程的求解过程中包含状态参数和组元同时变化。结合刘君解耦算法机理和有限体积法空间平均特性,介绍近期在提高算法计算效率方面的研究进展,包括流动方程优化算法和耦合过程优化。采用优化算法对经典的激波诱导燃烧算例进行数值模拟,与不同文献结果进行对比,验证了优化算法的时空精度。通过总结经验发现化学非平衡反应仅发生在流场局部区域,提出质量生成率判据,结合相应模拟结果验证了方法的可行性,可以进一步提高化学反应算子的计算效率。     

化学动力学模型对H2/AIR超燃模拟的影响

为了研究超燃流动中不同化学反应模型的影响，提出流动项与化学反应生成源项解耦处理的化学非平衡流动计算方法，从薄层近似N－S方程出发，采用ENO差分格式，数值模拟了超声速H2／Air 预混合气体中钝体激波诱导的振荡燃烧流场，针对飞行速度大于和接近爆轰速度两种不同流动状态，比较Evans-Schexnayder提出的7组分8反应机理（ES模型），Jachimowski提出的13组分32反应机理（J模型）及其简化为9组分19反应机理（J－1模型）对流场参数的影响，计算表明反应机理引起压力场变化较小，对温度等参数影响较大，对于飞行马赫数低于7的问题，取不包括N原子反应的Jachimowski的9组分19反应机理较合适。     

离解组分复合对超燃尾喷管性能的影响

采用13组分33步反应的H2/Air化学动力学模型,对超燃冲压发动机尾喷管化学非平衡流动和冻结流动进行数值模拟.计算表明,离解组分的复合现象存在于超燃冲压发动机尾喷管内流动中,并对尾喷管性能产生影响.随飞行马赫数的增加,离解组分复合现象更显著,对尾喷管性能产生的影响也越大.在飞行马赫数为8.0的计算工况下,化学非平衡流动模型计算所得尾喷管性能与冻结流动模型相比高出约2％,该条件下忽略NO2,H202等组分以简化化学反应机理,对尾喷管性能计算结果的影响甚微.     

横向喷流干扰中的真实气体效应研究

建立了包括湍流、两相流和非平衡化学反应模型的统一算法,并对横喷干扰流动中的高温异质喷流、两相流、非平衡燃烧效应分别进行了计算分析。研究表明,非平衡燃烧效应对干扰流场及模型气动力的影响最大,高温异质喷流次之,两相流效应的影响最小;非平衡燃烧是引起冷、热喷条件下轴向力系数出现明显差异的最主要因素;虽然固相颗粒本身对干扰流场影响非常小,但它会从造成气相质量流率损失的角度对流动产生影响。因此,在风洞试验的模拟准则中应对上述因素予以考虑。     

入口温度剖面对喷管流场结构的影响

应用质量平均的Navier-Stokes方程和B－L代数湍流模型，对超燃冲压发动机尾喷管的流场进行了数值模拟研究，在计算过程中，对方程中的对流项采用了空间为二阶精度的TVD格式，扩散项则采用了二阶中心差分离散，通过数值模拟，对比研究了温度非均匀性，三维效应对尾喷管的流场结构的影响。     

高超声速热化学非平衡钝体绕流数值模拟

对高超声速热化学非平衡钝体绕流进行研究,发展了高温热化学非平衡条件下的高超声速气动热数值模拟方法。采用二阶精度迎风TVD格式的N-S方程有限体积法多块结构网格求解器,考虑了空气5组分及化学非平衡效应的影响,对组分生成源项及振动能源项采用了点隐式的处理,提高了计算效率。对球锥模型和RAM-CII飞行实验等算例进行了数值气动热模拟,分析了不同非平衡模型在热化学非平衡条件下流场的影响。计算结果表明建立的数值模拟方法具有较高的精度。     

支板超声速冷流流场及液体喷流混合特性

支板流场和支板燃料喷流的混合效果对超燃冲压发动机的性能有重要影响。为了找出支板流场的特性以及支板构型对支板流场和支板液体喷流混合特性的影响,采用试验和数值两种手段对支板超声速冷流流场进行了初步研究,并对冷流情况下支板液体喷流的混合特性进行了试验研究。结果表明:支板后掠角对支板流场影响较大;支板尾部交错几何结构能形成具有强烈卷吸作用的涡流,加快支板后缘剪切层发展并促进燃料在主流当中的扩散,增强混合;侧喷支板横向喷流与后喷支板顺流喷射相比,燃料在主流当中扩散得更快,混合得更好。研究成果初步确定了不同构型支板的超声速冷流流场特征,得到了支板构型对支板液体喷流混合效果的影响,为进一步开展热态研究和指导支板的设计打下基础。     

Numerical simulations of turbulent flows in aeroramp injector/gas-pilot flame scramjet

To uncover the internal flow characteristics in an ethylene-fueled aeroramp injector/gaspilot(ARI/G-P)flame scramjet,a Reynolds-averaged Navier-Stokes(RANS)solver is constructed under a hybrid polyhedral cell finite volume frame.The shear stress transport(SST)k-x model is used to predict the turbulence,while the Overmann’s compressibility corrected laminar flamelet model is adopted to simulate the turbulent combustion.Nonreactive computations for Case 1(G-P jet on),Case 2(ARI jets on),and Case 3(both ARI and G-P jets on)were conducted to analyze the mixing mechanism,while reactive Cases 4–7 at equivalent ratios of 0.380,0.278,0.199 and0.167 respectively were calculated to investigate the flame structure and combustion modes.The numerical results are compared well to those of the experiments.It is shown that the G-P jet plays significant role in both the fuel/air mixing and flame holding processes;the combustion for the four reactive cases takes place intensively in the regions downstream of the ARI/G-P unit;Cases 4 and 5are under subsonic combustion mode,whereas Cases 6 and 7 are mode transition critical and supersonic combustion cases,respectively;the mode transition equivalent ratio is approximately 0.20.     

超燃冲压发动机内流性能的一维评估

在准一维Eu ler方程的基础上,通过增加反映面积变化、摩擦、添质和化学反应放热的源项,发展了超燃冲压发动机推进流道计算的一维软件,可以在很短的时间内提供发动机的推力和摩擦力,同时给出发动机参数沿轴向的变化和出口值。通过日本国家航空与航天实验室(NAL)的双模态模型氢反应流场计算验证了软件的可靠性后,针对煤油发动机,分析了隔离段和燃烧室扩张角、燃料喷射位置与方式、化学反应放热项的两种不同求解方法、隔离段高度对燃烧室性能的影响,为飞行器设计配备了能稳定激波且性能较好的发动机构型。     

基于火焰面模型的超声速燃烧混合LES/RANS模拟

为了明晰超燃冲压发动机燃烧室内部燃烧过程的细节,建立了超声速湍流燃烧稳态火焰面亚格子模型,并采用混合LES/RANS方法对氢燃料超燃冲压发动机进行算例验证.控制方程对流项用五阶精度WENO格式离散,时间方向采用二阶Runge-Kutta方法.研究表明:(1)冷流流场中燃料分布与大尺度结构分布相似,说明混合过程受大涡控制;(2)燃烧流场中涡的尺寸明显变大,且仅存在于火焰面上,另外温度分布和主要生成物分布与涡量云图基本相同,说明燃烧过程也由大涡控制;(3)时均计算结果与实验阴影基本符合,速度剖面和温度剖面与实验测量值定性一致,说明本文的数值模拟方法和燃烧模型可以较好地描述和预测超声速流动燃烧过程.     

化学非平衡流动对超燃冲压发动机尾喷管性能的影响

采用RNGk-ε湍流模型和有限体积方法数值求解有组分的守恒形式Navier-Stokes方程,针对设计的超声速燃烧冲压发动机单斜面膨胀喷管,采用氢氧七组元八反应模型,数值模拟不同高度、不同来流马赫数条件下的喷管流场和性能.计算结果表明,喷管内的进一步燃烧对燃烧室起到了一定的补燃作用,对喷管性能影响较大.化学非平衡状态下,喷管推力特性和升力特性显著提高.超燃冲压发动机尾喷管的性能研究,应考虑化学非平衡流动的影响.      

氢在超音速气流中的燃烧过程

氢燃料超音速燃烧冲压发动机(简称超燃冲压)为主体的吸气式组合动力装置,已被证明是空天飞机推进器的最佳方案[1]。因而研究氢在超音速气流中的燃烧过程是一个重要的课题。国外近年来进行了大量的有关理论与实验研究工作[2、3],但大多数的研究停留在氢处于静止与等压状态下的反应过程。在超燃燃烧室中的实际燃烧过程,由于不同的燃烧室进口气流状态,大体有以下三种基本类型:扩散型燃烧、扩散动力型燃烧、动力型燃烧。      

超燃冲压发动机二维热环境数值模拟

对超燃冲压发动机热环境进行了研究和计算.以二维N-S方程和一维瑞利加热规律为基础, 建立了超燃冲压发动机内流场的热环境计算模型;用MacCormark预测-校正格式编写了数值计算程序;对飞行马赫数Ma=6和Ma=8两种工况的超燃冲压发动机内部热环境进行了数值模拟, 得到了发动机内部流场的温度分布和壁面热流分布;对计算结果进行了分析.结果表明, 采用二维无反应流体计算和一维加热规律相结合的方法, 在超燃冲压发动机热环境研究中是可行且有效的.      

双燃式冲压发动机中富油燃气射流的超燃研究

在空气流量1.2kg/s左右的地面连管试验台上，研究了双册槽结构的超燃室中多股高温富油燃气射流的超燃特性。试验结果表明，超燃点火可靠，火焰稳定，超燃效率可达0.8以上。因此超燃新方案是可行的。     

马赫数4～7的高超侧压式进气道气动设计与性能

对巡航马赫数为7、转级马赫数为4的宽范围侧压式进气道进行了设计,讨论了主要设计参数的选取原则,给出了一种曲面压缩的高性能侧压式进气道设计方案,并利用数值仿真手段对其流场结构及性能进行了研究.结果表明,所设计的侧压式进气道在马赫数Ma=4时的流量系数达到0.753,最大正攻角可达6°以上.Ma=6时,流量系数达到0.94...