一维非定常管流自由开口端边界条件的确定

一维非定常管流自由开口端边界条件的确定,特别是当自由出流和入流都要考虑时,是一个十分复杂的问题。本文系统地研究了这种流动问题,指出了九种可能的波系组合,其中包括亚、超音速出流及音速入流等流动状态。同时亦指出了各种波系组合之间的边界,它们在压力——马赫数状态图上的相互位置以及计算方法,从而为一维非定常复杂管流理论计算边界条件的处理打下了理论基础。本文介绍的边界条件配上随机选取法所得的计算结果与实验十分吻合。     

旋成体轴对称跨声速全位势流的高效差分算法

本文用守恒型全位势方程,贴体坐标网格,对旋成体轴对称跨声速绕流的差分数值计算方法进行了研究;根据最佳收敛准则,提出了轴对称情形的AF2迭代算法,并将此算法应用于半球头柱体、弹体等各种外形的旋成体。与一般方法仅适用于亚声速自由流不同,本计算可从亚声速、跨声速自由流一直到低超声速自由流。计算结果表明,本文方法收敛快,与实验及其它方法的结果符合较好。     

高焓激波风洞自由流参数测量的数值重建

高焓风洞中参数测量本身受到高温非平衡效应影响,单纯依靠实验测量不足以确定详细的风洞自由流参数.本文以JF-10高焓激波风洞为背景,通过喷管-试验段-测量仪模型非平衡流场的连贯计算,开展自由流参数测量的数值重建.在比较分析测量仪模型绕流场的计算结果和实验测量值的基础上,结合喷管流场的数值模拟结果,共同确定高焓风洞的详细自由流参数.     

用湍流附面层方程计算喷管内的对流换热

在流场计算的基础上,运用Patankar-Spalding方法积分求解了湍流附面层控制方程组,从而得到了固体火箭发动机喷管内燃气与壁面之间的对流换热。其中在附面层靠近壁面的底层区使用了Gouette流分析,在壁面边界和自由流边界处引入了滑移值的概念,因此保证了计算结果的相对准确性。最后将本文的计算结果与巴兹公式的计算结果和实验结果进行了比较。     

亚音速机翼和机身大迎角下非线性气动载荷的两种计算方法

本文计算无粘亚音速流中任意平面形状薄翼和旋转体机身在大迎角下计入气流分离时的定常非线性气动载荷。采用两种方法:(1)定常流的松弛法;(2)陡然起动流的时间相依法。方法(1)对旋涡强度和自由涡的位置进行松弛迭代,取得了收敛的结果。方法(2)计算机翼陡然起动后一系列时刻的旋涡强度和自由涡的位置,直到结果趋近于常数解。亚音速流的压缩性效应是假设小扰动计算的。两种方法计算的结果很接近,和可以找到的实验数据也很接近。     

不同半径圆柱诱导CH4/空气预混燃烧的计算研究

本文研究不同半径圆柱诱导CH4/空气预混燃烧流场。采用保自由流5阶WENO格式求解贴体坐标变换后的多组分Euler方程,用基元反应模型描述CH4/空气燃烧。不同于标准WENO格式通量构造方法,该WENO格式数值通量由方程的解进行WENO插值得到,在曲线坐标系下具有保自由流性质。首先给出了保自由流WENO格式精度和保自由流的数值验证,然后计算圆柱诱导CH4/空气预混气燃烧流场,并考察不同半径圆柱的影响,给出燃烧流场压力与温度等值线和云图、压力和温度沿过驻点线分布。结果表明:在考核计算结果网格无关性基础上,该WENO格式可准确地捕捉激波和火焰阵面形状、激波和火焰面驻点距离,得到的计算结果和文献结果相符。增大圆柱半径,激波和火焰面被推向来流方向,激波和火焰面之间距离也减小。和TVD格式相比,5阶WENO格式采用四分之一的网格数可得到近似相同的计算结果。     

亚、超音速小侧滑角机翼升力面理论和数值计算方法

本文推导出侧缘与自由流不平行的常值面涡半无限角翼基本解,其特征是从面涡小块背风侧缘拖出的涡不是顺着自由流,而是沿着侧缘拖出,从而克服了用Woodward方法计算侧滑翼绕流中使用对称分划小块的困难,提出了适用于从亚音速直到超音速范围的推广的Woodward方法。本方法将问题分解为若干个对称与反对称问题,大大地节省了计算机内存量或计算时间。本文还从基本方程,或者直接从数值计算方法出发,推导出准相似律。计算结果与精确解以及和其他方法的结果符合得很好。     

自由分子点源法在非均匀出口羽流场模拟中的应用

为满足高空稀薄流工程估算的精度和效率需求，将Woronovicz自由分子点源模型推广至非均匀出口发动机羽流场的计算模拟。采用分格技术剖分得到多独立点源，以此解决出口平面参数的非均匀性问题。10N双组元发动机羽流的质量和压力计算结果同实验符合良好，验证了自由分子点源模型的有效性。某实验型喷管羽流计算表明，点源模型在远场与DSMC方法基本吻合．两者误差在引入非均匀出口条件修正后得到显著改善。     

NND格式在航天飞机头部段N—S方程求解中的应用

本文采用实质上为二阶精度的无波动、无自由参数的耗散差分格式(NND格式)求解了非定常的二维和三维完全N-S方程,对类似于航天飞机头部外形的超声速粘性气体绕流流场进行了模拟。在计算中,使用了代数网格生成技术,对脱体激波采用了装配法。作为验证算例的二维圆柱绕流计算结果同文献[4]的数据进行了比较。二维凹陷外形绕流的计算结果同无粘流结果进行了对比,由于粘性流动出现了分离,二者的壁面压力是有差异的。最后,对三维外形的绕流也进行了模拟,计算结果提供了流场的细节。     

旋成体大迎角分离流的Euler方程数值模拟

用三维Euler方程计算旋成体的大迎角绕流,我们发现:亚声速自由流时,计算得到的是无分离流动,与实际的分离流不相符合,因而计算的法向力大大小于有分离的实验值;而当自由流为超声速,且横向自由流M数较高时,由于背风表面出现激波,无粘Euler方程的数值计算能自动捕捉到背风面上的分离涡,计算法向力与实验值接近。为了对亚声速自由流用Euler方程数值模拟大迎角旋成体背风面上分离涡,根据问题的物理图像,在假设的分离线上,提出强加Kutta条件的方法,成功地计算出有分离流动,使计算的法向力与实验值接近。     

运动激波引射高温燃气的数值研究

本文从一维非定常守恒方程出发,用Ｒｉｃｈｔｍｙｅｒ－Ｌａｘ－Ｗｅｎｄｒｏｆｆ格式研究了夹膜方式,夹膜位置,破膜压力和破膜延时对激波引射高温燃气参数的影响。结果表明：在激波风洞组合设备中,用引燃激波管模拟亚燃室开展双燃式煤油超燃研究的方案是可行的,引燃激波管布置的建议方案是;单膜片,膜片位于管子右端出口处,破膜压力尽可能低、破膜延时尽可能小。     

有限空间中激波运动的数值模拟

采用一种有限体积的TVD格式模拟喷流产生的启动激波在有限空间内的运动过程。计算获得的激波运动过程与激波在大气中传播时的实验结果一致。在传播过程中出现涡环和多次激波。计算表明,在真空箱为正方体的情况下,激波管出口附近的压力脉冲特性主要取决于有限空间的轴向长度。所得结果对毫秒级激波管喷流模拟装置的真空箱设计有参考价值。     

圆锥形谐振管的谐振性能研究

在液体火箭发动机气动谐振点火技术中,圆锥形谐振管因气体谐振加热温度高、加热速度快而受到重视。文中利用Whitham规则,从理论上分析了在圆锥形管中振荡气体的压强和温度特性。因为圆锥形谐振管对激波有增强作用,所以在相同条件下,圆锥形谐振管中气体压强的振荡幅度和加热温度、速度都要高于圆柱形谐振管,因而圆锥形谐振管加热性能比圆柱形谐振管好。      

GRP格式推广用于多维复杂流动的数值计算

采用算子分裂技术，将原始求解一线流动问题的高精度、高分辨率GRP格式推广用于包含各种不同间断解及其相互作用的多维复杂流动计算。以轴对称管端出口处激波绕射传播为例，作了数值模拟，得到与实验结果吻合很好的流场精细结构。     

变截面管道中激波诱导的两相流动

本文研究扩张型与收缩型变截面管道中激波诱导的非定常两相流动。对于稀相气固悬浮体采用了双连续介质模型,对于两相流动按照准一维近似处理。控制方程则是利用算子分裂技术和二阶GRP方法数值求解。文中给出了波后气固两相的流动结构,并讨论了粒子对两相流场的影响。     

自由流单位Re数对边界层转捩的影响

利用激波管实验原理和实验技术,在截面为94 ×94mm~2的激波管实验段中,测量了自由流单位Re数单一变化时壁面边界层转捩Re数的变化规律。为此研制了一种可直接显示边界层从层流向湍流过渡全过程的热电模拟网络。根据大量测量结果,并以自由流单位Re数为自变量,整理出预测平板边界层转捩Re数的经验公式。     

一种用于RM不稳定性研究的竖直环形激波管的设计与验证

设计并加工了一套竖直环形同轴无膜激波管,可用于环形汇聚激波诱导下的Richtmyer-Meshkov不稳定性实验研究。与前人工作相比,本文在流体界面的形成以及流场的观测方法上做了较大的改进。通过实验和数值方法,对该竖直激波管产生的环形柱状汇聚激波的参数进行测量和分析,验证了同轴激波管形成柱状汇聚激波方法的可行性和可靠性。在界面形成方面,采用细丝约束肥皂膜技术形成正八边形气体界面,并利用数值方法考察了细丝对界面发展的影响。结果表明在界面发展的前期,细丝的影响几乎可以忽略。利用连续激光片光结合高速摄影相机对流场进行观测,获得了正八边形air/SF6气体界面在环形汇聚激波及其反射激波冲击下的演化过程,并与数值结果进行了对比,获得了较好的一致性,进一步验证了汇聚激波的对称性以及细丝约束肥皂膜技术用于形成多边形气体界面的可靠性。     

螺旋式发射管内火箭燃气冲击流场数值模拟

用改进的MUSCL格式解三维、可压缩平均雷诺纳维尔-斯托克斯方程组,湍流模型为Spalart-Allmaras代数模型,计算和分析了火箭发射管内燃气冲击流场.在建立差分算法时,将有限体积离散和黎曼解算器相结合,简化了计算工作.首先,以小喉截面超声速喷管流动问题开展数值实验,数值结果与实验数据吻合很好;其次,计算了火箭发射管内燃气流场,获得发射管内气流压强和温度等物理参数分布.     

爆轰驱动激波管缝合激波马赫数计算

采用数值求解的方法得出了氢氧爆轰驱动激波管的缝合状态参数.以空气为试验气体时,缝合激波马赫数随着H2摩尔浓度的增加而增加,H2摩尔浓度达到90%左右时达到最大.当缝合马赫数较高时,需要考虑高温真实气体效应的影响,缝合激波马赫数较理想气体的高.以氢空气混合气为试验气体时,缝合激波马赫数较以空气为试验气体的小.通过调整驱动气体与被驱动气体的初始参数,可以得到即能恰好消除Taylor波又能缝合的运行状态.     

导弹发射管内燃气流场的实验分析

针对密封盖未及时开启造成发射装置的损坏问题进行了实验分析。实验测量了对发射管壁静压和密封盖受到的燃气射流冲击压力，利用子波分析方法求取了实验数据的基于子波系数的频带能量谱，并对含有射流噪声的测量数据进行了子波滤波，得到了各点压力低频成分的变化情况，同时得到了密封盖所受冲击冲量与激波振荡幅值的关系。研究表明密封盖不及时开启会在弹管间隙中形成高幅值的起始冲击波和燃气回流激波振荡。这种破坏性的流动结构会导致发射装置的损坏。