大攻角侧向多喷干扰流场特性数值模拟

采用计算流体力学(CFD)方法研究了大攻角状态下侧向多喷口干扰复杂流场对导弹气动特性的影响。首先通过喷流标模和大长细比导弹模型的雷诺平均Navier-Stokes(RANS)数值模拟,分别验证了所采用的仿真方法对喷流干扰流场和导弹大攻角流动求解的能力;其次采用RANS方程组对大攻角状态侧向多喷干扰流场进行了数值模拟,表明攻角与喷口数量对导弹气动载荷分布产生较大的影响;然后通过对比分析有/无喷流时法向力系数沿导弹轴向的分布,以及流场结构,揭示了不同攻角时喷流干扰流场对导弹气动特性影响的流动机理;最后给出了侧向喷流对导弹建立攻角时间影响的初步分析,表明与采用单独气动舵进行姿态控制相比,在10 km高度采用侧向喷流直接力控制不能提高导弹的快速性。     

RCS对舵面控制特性影响的数值模拟

可重复使用运载器等采用反作用控制系统（RCS）/舵面复合控制技术进行配平和控制,由于舵面和喷口的位置相距很近,同时工作时将产生相互干扰效应。采用非定常数值模拟方法,结合动网格技术和喷流模拟技术,针对可重复使用运载器外形开展了侧向喷流开启和关闭对舵面控制特性的影响研究,分析了飞行器俯仰运动对不同舵面操纵方式的动态响应过程。研究发现,在超声速来流条件下,侧向喷口前方的弓形激波会打到方向升降舵的下表面产生一个局部高压区,使得飞行器产生附加的低头力矩,导致喷流开启时的配平攻角相对关闭时要低约1°。同时,侧向喷流与襟副翼之间存在非定常、非线性干扰现象,在RCS/舵面复合控制系统设计时,需要对此进行一定的补偿。     

一种鼻锥钝化高超声速轴对称进气道流动特性实验

前缘钝化尺度是高超声速进气道设计中的关键参数。针对一种前体锥加弯曲压缩面的高超声速轴对称进气道,选取最大尺度为3.2mm(5%唇缘半径)的几种典型鼻锥钝化半径,在马赫数Ma=6来流,及模型安装攻角为0°、4°、7°的条件下开展鼻锥钝化尺度对进气道流动性能影响的实验研究。采用纹影拍摄及压力测量记录各来流条件下进气道前体流场结构及壁面压强分布,并在无攻角来流条件下利用微型扰流器进行边界层强制转捩研究。结果表明,对无攻角来流而言,即使是尺度高达3.2mm的钝化半径对进气道前体流场结构及壁面静压分布也基本没有影响。此来流条件下,几种不同鼻锥钝化半径的前体压缩面均出现小范围流动分离,而添加扰流器后该分离区均消失。钝化尺度的影响随着攻角的增加而显现,尽管不同鼻锥钝化尺度下迎风面流场及壁面压强分布几乎没有差别,但背风面随钝化尺度增大表现为边界层明显增厚、流动趋于不稳定。其中最大钝化尺度R=3.2mm的构型在4°攻角来流时背风面即出现明显的分离区,而7°攻角来流时背风面更是出现大范围流动分离、进气道背风侧不起动,并导致进气道内部壁面压强显著下降。     

钝体逆向喷流减阻降温数值仿真研究

本文采用基于结构化网格的Navier-Stokes方程数值模拟方法,开展基于不同来流迎角逆向喷流技术的钝体减阻降温影响研究。结果显示,随着来流迎角变化,无喷流状态的钝体阻力大小基本无变化,而有喷流状态的阻力随迎角增大而单调增大,上母线有喷流状态热流值均小于无喷流状态,而下母线远离喷口位置的壁面温度基本无减少。背风侧与迎风侧的壁面压力及热流分布发生明显变化。     

减阻杆与环形喷流组合构型钝头降热数值模拟

针对单一减阻杆构型在有迎角来流条件下降热效果急剧下降的问题,提出了减阻杆和环形喷流组合构型的降热方案,对减阻杆和环形喷流组合构型进行不同来流和喷流条件下的数值模拟,得到了模型流场和壁面热流分布。研究结果表明：在组合构型的流场中,喷流受减阻杆后低压区的影响,未直接与自由来流作用,喷流压比从0.05至0.40,组合构型流场未出现长穿透模态和短传透模态转变,流场结构更为稳定;喷流包覆了减阻杆和钝头体壁面,再附激波和分离激波被推离壁面。0°迎角来流条件下,小喷流压比也有好的降热效果,喷流压比为0.05可以使减阻杆构型钝头体的壁面热流峰值降低到原来的一半以下;单一减阻杆构型在有迎角来流条件下,分离激波和再附激波直接作用在钝头体壁面上,钝头体壁面热流急剧上升。组合构型在有迎角来流条件下有明显的降热效果;随着迎角的增加,喷口处的背压升高,喷流对流场的干扰效应减弱,达到相同的降热效果需要更大的喷流压比;相同的喷流压比下,在再附着点前喷流,喷流膨胀更完全,降热效果更好;减阻杆和环形喷流组合构型相对于单一减阻杆构型,在小喷流压比下减阻效果增强。     

高超声速流动中侧向喷流干扰特性的实验研究

在高超声速(M=6)流动中,实验研究了侧向喷流的干扰特性,并探讨了喷流压力、攻角、迎风侧及背风侧喷流对侧向喷流干扰特性的影响.结果表明,在高超声速流动中,随喷流压力增大,喷流弓形激波与来流弓形激波相交,喷流前的高压区增大,而喷流后的低压区几乎不受影响,喷流的控制效果加强.与迎风侧喷流相比,背风侧喷流控制效果更好,这一趋势随攻角的增大更加明显.     

导弹直接侧向力控制外流场研究

利用固体燃气发生器作为控制力源对导弹进行侧向力控制、导弹的末端控制和垂直发射导弹的转弯具有重要的作用。具有侧向喷流的直接控制力导弹 ,其外流场极为复杂。利用耗散比拟原理 ,构造出高精度的紧致迎风 TVD格式 ,对侧喷流场进行了二维轴对称数值模拟。数值计算弄清了侧向喷流喷口附近的流场结构 ,研究表明 :对于来流为超声速 ,侧向喷流为声速时 ,侧向喷流的出射角为某一锐角时 ,侧向喷流的侧向作用力达到最大值     

导弹侧向喷流干扰及多喷口耦合效应数值模拟

侧向喷流与外部来流的干扰流场相当复杂,流场内会出现弓形激波、再附激波和分离旋涡等复杂的物理现象。通过数值求解NS方程,对导弹的侧向喷流干扰流场进行了数值模拟研究,重点讨论了采用空气冷喷流进行喷流干扰模拟的相似模拟准则,通过与燃气喷流的对比,验证了喷流干扰模拟准则在导弹侧向喷流干扰数值模拟中的可靠性。利用建立的侧向喷流模拟方法,对某导弹外形的多喷口耦合效应进行了数值模拟研究,分析了侧向多喷口耦合干扰下的放大因子及流场结构,相关结论可为导弹喷流控制系统设计提供参考依据。     

导弹模型后体横向喷流干扰特性

通过在2m×2m超声速风洞开展横向喷流静态测力和油流显示试验，获取了来流马赫数为1.5~4.0、迎角为-8°~27°、喷流静压比为5~17.6及不同喷口位置等参数对横向喷流干扰的影响规律，结合数值模拟获取了模型表面极限流线和喷口附近干扰流场结构，进而研究了导弹模型强迫运动下的横向喷流干扰特性。结果表明:在模拟参数范围内，位于导弹模型后体的横向喷流均产生有利干扰；来流马赫数越大，干扰放大因子随迎角变化越剧烈，静压比升高导致干扰放大因子减小，“单独向上喷流”干扰程度大于“单独向下喷流”；强迫运动条件下基本气动特性和干扰均出现动态迟滞，干扰放大因子尤其在大迎角和下俯过程中明显偏离固定迎角值，表明模型运动对横向喷流干扰特性影响较大。      

激波风洞侧向喷流干扰效应试验研究

为研究高速飞行器在高超声速来流条件下侧向喷流干扰效应,在CARDC-φ2m激波风洞上采用"先内流,后外流"的总体技术方案,完成了双锥模型在M6～M10,模拟高度20km～40km,有侧向喷流条件下的测压、测力试验研究,并采用高速流场显示方法进行了流场纹影照相.喷流模拟装置为路德维希管,冷喷流采用氮气,热喷流采用氢氧燃烧的高温气体,喷流有效时间不少于50ms.试验气流为激波风洞产生的高超声速氮气流,有效试验时间为4ms～20ms.试验研究获得了模型攻角在-10°～10°之间,不同的马赫数、高度和侧向喷流状态下的相关试验结果.本文给出了试验数据曲线和流场纹影照片,并对结果进行了初步分析和讨论.     

侧向喷流对超声速流动中支杆减阻降热特性影响的研究

为研究超声速流动中支杆侧向喷流的减阻降热特性,基于有限体积法求解非定常雷诺平均Navier-Stokes方程组,采用3阶MUSCL重构方法,AUSMPW+通量分裂格式,k-ωSST湍流模型并耦合求解固相热传导方程,编制了计算程序并利用相关实验验证了数值方法的可靠性。在此基础上,研究了侧向喷流总压和位置对超声速流动中支杆减阻降热特性的影响,得到了壁面St数、壁面压力及气动阻力的变化规律并考察了壁面热流随时间的动态变化过程。研究结果表明:当侧向喷流位置一定时,侧向喷流总压的增大将进一步提高减阻降热性能;当侧向喷流总压不变时,随着侧向喷流位置向钝体壁面靠近,减阻降热性能明显变差,尤其当侧向喷流总压较大时,阻力增长幅度接近50%。当侧向喷流位置离开支杆底部时,气动阻力对侧向喷流总压的变化较为敏感;随着时间的推进,壁面热流密度呈现下降趋势,在2s内壁面热流密度最大降幅达到49.5%,但热流密度沿壁面分布规律未发生变化。     

超声速/高超声速来流中侧向喷流干扰流场数值模拟

针对姿态控制系统采用侧向喷流的小型固体运载火箭,开展超声速/高超声速来流中侧向喷流干扰流场数值模拟研究.通过数值求解三维可压缩Navier-Stokes(N-S)方程,模拟了侧向喷流干扰流场,分析了干扰流场结构,研究了攻角、高度、马赫数、侧喷发动机真空推力、喷口形状等因素对力/力矩放大因子的影响.研究结果标明,侧向喷流与来流相互作用,使流场结构十分复杂,存在激波、压力平台效应和环绕效应等干扰特性,攻角、高度、侧喷发动机真空推力等因素对力/力矩放大因子均存在不同程度影响.     

跨大气层飞行器RCS干扰数值模拟研究

针对跨大气层飞行器外形,开展了超声速流动中的侧向喷流干扰问题研究。数值模拟了一定高度和飞行马赫数条件下不同喷流控制形式的干扰现象。结果表明:由于喷流与来流的相互作用,使流动变得相当复杂,相应的气动力发生变化,喷流所引起的气动干扰因子随高度的变化较为剧烈,但随攻角、马赫数的变化却比较平稳。喷流与来流的相互干扰随高度增加而变弱,在一定高度可以忽略这种干扰。     

联合激波针-逆向喷流方法的新概念研究

提出一种可用于高超声速减阻和降热的联合激波针-逆向喷流方法,采用数值模拟对该方法在高超声速二维以及轴对称球柱外形上应用进行了概念验证。结果表明联合激波针-逆向喷流方法能有效降低外形的阻力以及头部热流,在同等来流及喷流条件下,其减阻和降热的效率均优于单独逆向喷流的结果。该方法应用于轴对称外形时,流动在钝体肩部再附点附近产生激波干扰而导致壁面出现热斑,通过增大喷管直径的方法来增大喷流量可降低激波在肩部再附区的干扰效应,达到消除热斑、降低局部高热流的目的。     

推力转向喷流与高速主流干扰参数影响规律的数值模拟研究

针对一种简化的飞机模型,数值模拟了推力矢量尾喷流与高速主流的干扰效应,系统总结了来流马赫数、攻角、喷管偏转角、喷流马赫数、喷流总压、喷流总温等参数对飞机气动特性的影响规律,分析了流动机理,结果表明:对于该简化战斗机模型,推力矢量尾喷流对高速主流的干扰局限于尾部局部区域,对全机气动特性的影响较小,仅在较大攻角下才有一定体现;但高速主流对尾喷流的干扰显著,推力矢量角损失随来流马赫数和攻角的增大而增大。     

一种无烧蚀自适应的减阻防热新方法研究

为了解决传统激波针方法在高超声速实际应用中存在的问题,结合逆向喷流方法以及激波针方法,提出了一种无烧蚀自适应的高超声速减阻防热新方法一可伸缩姿态自调整喷流激波针方法(TSAJS).通过数值模拟的方法,针对不同L/D参数的TSAJS外形,对不同攻角、来流马赫数以及喷流马赫数状态下的流场结构、壁面压力和热流分布以及阻力系数等进行了对比研究.结果表明,TSAJS方法在有攻角状态仍然能够有效降低外形的阻力以及壁面热流,L/D为1的TSAJS外形可使壁面热流峰值及阻力系数均降低65％左右.在喷流作用下,TSAJS方法还可避免激波杆头部直接暴露于来流而产生严重的气动加热,从而不需要再特别考虑激波针的防热问题.     

三角翼后缘喷流对前缘涡破裂位置的影响

采用高分辨率的N-S方程数值模拟方法,研究了亚声速来流条件下对称喷流、差动喷流、矢量喷流对60°后掠角三角翼前缘涡破裂位置的影响。结果表明,对称喷流条件下,喷流与来流的速度比影响前缘涡破裂位置;差动喷流情况下,速度大的一侧喷流对涡破裂位置起主要影响;矢量喷流情况下,喷流方向对涡破裂位置影响显著,喷流方向与涡轴方向一致时,涡破裂位置延迟量最多。     

平衡气体对乘波体气动力热特性影响

针对乘波体在高空以高马赫数飞行时的特点,给出了一种考虑高温平衡气体效应的乘波体设计方法,并通过数值模拟的方法研究了高空高马赫数飞行条件下高温平衡气体对乘波体气动特性的影响。研究结果表明,相对于完全气体,平衡气体对乘波体的气动力特性影响不大,但对乘波体的前缘驻点区和下表面的热流及辐射平衡温度有较大的影响。另外在乘波体较为适宜的飞行攻角范围内,攻角的增大不会显著改变平衡气体效应对乘波体气动力特性的影响,也不会显著改变平衡气体效应对乘波体前缘驻点区的热流与辐射平衡温度的影响,但却会在一定程度上减小平衡气体效应对乘波体下表面的气动热及辐射平衡温度的影响区域。     

楔形涡流发生器影响高负荷叶栅性能的机理研究

为探究楔形涡流发生器流动控制技术的作用机理,对一低来流马赫数高负荷扩压叶栅开展数值模拟研究。提出在叶片前缘安装涡流发生器的方案,并对比分析了采用涡流发生器前后叶栅性能及通道内二次流结构的改变。研究结果表明,楔形涡流发生器诱导的吸/压力面涡类似于叶片前缘的马蹄涡,卷吸附面层低能流体,提高其抗逆压梯度能力,进而削弱横向流动,抑制角区分离;涡流发生器的强漩涡结构改善了叶栅通道二次流,使得损失重新分布,叶栅-3°到7°攻角范围内的气动性能显著提升,设计点-1°攻角时平均总压损失系数下降8.04%,平均静压系数增大7.75%,5°攻角时平均总压损失系数下降15.87%,平均静压系数增大21.79%。     

攻角与马赫数对进气道起动影响的可比拟性

针对高速风洞变来流马赫数的能力有限,不易获得高超声速进气道起动马赫数界限的问题,本文尝试通过改变进气道模型攻角的方法来模拟来流马赫数的变化,分析定来流马赫数变攻角与定攻角变来流马赫数两种途径下二元进气道起动性能之间的关系,以助于风洞实验获得进气道的起动马赫数界限。结果表明,在Ma∞=5.9来流条件下,进气道不起动和自起动的临界攻角分别在12°~13°和0°~1°。定来流马赫数变攻角与定攻角变来流马赫数两种途径下,进气道不起动和自起动临界所对应的内收缩段入口马赫数基本一致。对于同一内收缩段入口马赫数,当变攻角跨度小于4°时,两种路径下进气道的内部流场与壁面压力分布规律符合较好;当变攻角跨度较大时,两者的差别也增大。对于二元高超声速进气道模型,当常规风洞的来流马赫数在进气道起动边界附近时,在一定的攻角范围内,可以尝试通过攻角机构连续改变模型安装攻角的办法来模拟变马赫数引起的进气道起动特性的演变过程。