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。     

驻定斜爆轰波起爆条件与结构的数值模拟研究

为了探究驻定斜爆轰波的起爆条件以及来流马赫数和楔面角对斜爆轰波形态结构的共同影响,基于二维欧拉方程和单步化学反应模型,对驻定斜爆轰波进行数值模拟研究。结果发现,斜爆轰波的起爆和结构受到来流马赫数和楔面角的显著影响,来流马赫数越小,形成斜爆轰波的楔面角条件越苛刻。随着来流马赫数和楔面角增加,波后混合气体温度升高,爆轰反应变得更加剧烈,使得斜激波诱导区域变短,未反应气团减少,接触间断面更靠近楔面,下游出现的涡结构也减少。     

曲面激波诱导斜爆轰的数值模拟

为了研究恰当比预混氢气-空气斜爆轰流场的波系结构和流动特征，基于带化学反应的Navier-Stokes方程，对弹头及楔穿越预混气体时诱导的斜爆轰进行了数值模拟。对流项的离散采用Steger-Warming格式，时间项采用二阶Runge-kutta方法。结果表明，对于弹头：（1）在亚爆轰条件下，能够模拟氢气-空气预混诱导爆轰流场的精细结构；（2）在超爆轰条件下，通过精细调整网格，能够很好地分辨强烈耦合的激波和燃烧波，且与Lehr实验吻合良好。对于楔结构：捕获到了清晰的三波点及其复杂精细的斜爆轰流场结构，预测的诱导燃烧距离、激波角和斜爆轰角与实验吻合良好；通过对流场波系结构变化过程的研究，获得了流场三波点随时间的演化过程。     

驻定斜爆轰波的初步实验观察

本文介绍了使用激波风洞观察相对实验室驻定的斜爆轰波的方法、实验装置和初步实验结果。实验主要利用高分子可燃固体主膜片与高焓气体在加速、减速和膨胀降温过程中的混合作用,采用高速摄影技术对高超声速流场中尖劈所形成的高温和燃烧发光区进行动态观测,得到波角明显大于斜激波的结果,认为初步观察到相对实验室驻定的斜爆轰波。     

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。     

斜爆轰发动机燃烧机理试验研究

为了研究斜爆轰发动机的稳定燃烧机理,本文开展了飞行马赫数9的斜爆轰发动机的数值模拟研究和试验研究。首先,设计了全尺度斜爆轰发动机模型,发动机的总长度为2.8m。采用两级进气道压缩,每级压缩角度均为15°。利用三个小支板在进气道前缘主流核心区中进行氢气的喷射和混合。其次,对氢气混合过程和发动机燃烧过程进行了数值模拟研究。控制方程采用带化学反应的雷诺平均的N-S方程,湍流模型采用SST k-ω模型,化学反应模型采用9组份19步反应的基元反应模型。数值结果表明,氢气在进气道内混合得比较均匀,在燃烧室内获得了稳定的斜爆轰流场和正爆轰流场。接下来,在激波风洞中开展了马赫数9状态下的斜爆轰发动机稳定燃烧机理试验研究,在50 ms的风洞有效试验时间内获得了持续稳定的斜爆轰流场,试验结果与数值模拟结果吻合较好,表明在试验中形成了斜爆轰波。研究结果证明了斜爆轰发动机的技术可行性。     

基于无网格算法的化学非平衡流数值模拟

为了验证AUSMPW+格式在无网格算法的精度等以及无网格算法能否用于复杂化学非平衡流数值模拟中,首先将AUSMPW+格式推广到无网格算法中,给出了AUSMPW+在无网格算法中的具体形式。其次,将无网格算法应用于带化学反应的多组分气体Euler方程的求解,给出无网格条件下求解化学非平衡流的具体过程。最后,对NACA0012跨声速绕流场、高超声速弹丸绕流场、氢气/氧气诱导燃烧流场、球锥高超声速绕流场、楔体斜爆轰流场进行了数值模拟。数值模拟结果与相关文献计算结果和实验结果吻合较好,表明了AUSMPW+格式在无网格算法中表现较高精度。同时,采用无网格算法能较好地模拟复杂化学非平衡流场,正确分辨复杂的物理现象,为化学非平衡流数值模拟提供一种新的算法,拓宽了无网格算法的应用范围。     

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。     

准定常强激波马赫反射波形的数值研究

应用DCD频散控制激波捕捉格式,求解二维、多组分、带有化学反应的Euler方程组,数值模拟了准定常强激波的马赫反射问题.研究结果表明:与经典马赫反射理论相比,在强激波条件下,激波诱导的气体分子振动激发和化学反应使马赫反射的三波点轨迹角变小、马赫杆高度变低、楔顶附体激波倾角变小;马赫杆的相对突出量随入射激波马赫数和楔角的增大而增大,而气体分子的振动、离解等真实气体效应能进一步加剧马赫杆的向前突出.     

预混超声速气流斜激波诱导脱体爆轰研究

为了研究高静温预混超声速气流中爆轰的机理问题,利用自主设计的连续式加热器来产生马赫数为2.6,静温大于700 K的氢/空气预混超声速气流,并采用高速纹影技术来观测斜激波诱导脱体爆轰的直接起爆和发展的动态过程.研究表明,实验得到的起爆前斜激波和起爆后脱体爆轰波的角度与理论分析结果非常一致.并发现由激波诱导爆燃向激波诱导脱体爆轰的转变过程非常快;而且对于当前初温较高当量比较低的混合物,会出现爆轰波突然熄灭与重新起爆的现象.当前研究为爆轰燃烧在高超声速推进中的应用提供了重要参考.