高超声速喷管非平衡黏性流动的数值研究

分别采用平衡气体模型、化学非平衡气体模型和热化学非平衡气体模型,通过求解轴对称Navier-Stokes方程组,数值模拟了法国Marseille高焓激波风洞锥型喷管(H₀=10.3MJ/kg),分析了热化学非平衡效应对喷管流动的影响,给出了平动温度、振动温度、马赫数和组分质量数在轴对称线上的分布与喷管出口附近的速度和温度沿径向分布等结果。计算结果表明:化学反应速度加快,会导致喷管出口温度增加,振动能的冻结会导致喷管出口温度降低。     

一维非平衡喷管流动计算

引言 在电弧风洞的运行中,喷管前室的气流温度很高,空气各组元之间会发生化学反应,双原子组元还要出现振动激发。混合气体通过喷管加速,化学反应和双原子分子的振动都达不到平衡,结果使得喷管各处流场参数与平衡流的计算数据有些差异,这就是喷管流动的非平衡效应。     

化学非平衡高超声速电离流动数值研究

本文对非平衡化学区应高超声速绕流零攻角轴对称钝头体电离空气粘性流动进行了研究，通过带有化学源项的Ｎａｖｉｃｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程对流动作数值模拟，总的连续方程由单个组元守恒方程代替。高温电离空气中存在７个主要的组元，它们依次为Ｎ＿２，Ｏ＿２，ＮＯ，ＮＯ￣＋，Ｎ，Ｏ，和ｅ￣－。化学动力学模型由７个组元和这些组元之间６个可能的反应来描述。发展了一种数值方法以求解这组完全耦合的与时间有关的偏微分方程组。利用一类新的有限差分方法来求解这组以守恒形式表示的控制方程。这是一种以ＴＶＤ格式来离散粘性流通量的方法。在数值实验中采用了ＴＶＤＹｅｅ－Ｈａｒｔｅｎ格式，对全部算例都是用激波捕捉法。关于化学组元，我们试图处理完全催化壁、非催化壁和有限催化壁等三种不同的表面边界层条件。计算是对ＲＡＭＣ－Ⅱ试验条件进行的，得出了７１ｋｍ高空情形的典型流场数值解。对表面压力，Ｓｔａｎｔｏｎ数和热流率给出了化学反应气体结果与完全气体结果的比较。计算的流场电子密度与ＲＡＭＣ－Ⅱ实验数据进行了比较，计算结果与实验数据符合是相当好的。     

JF—10氢氧爆轰驱动激波风洞自由流的测量和诊断

针对ＪＦ－１０氢氧爆轰驱动风洞动行的高焓高速状态，采用吸收光谱技术、皮托压力瞬态测量技术、电离探针等的测试方法，测量了自由流中一氧化氮的含量和离子浓度、皮托压力及其沿喷管出口半径方向的分布。并根据以上各项测量结果判断了自由流的非平衡程度。     

微波等离子推力器喷管流动数值模拟

为了准确把握微波等离子推力器喷管流动的机理与特点,采用冻结流和非平衡流两种模型对其进行了对比数值模拟分析。非平衡流模型考虑了流动过程中的分解反应、电离反应和复合反应,化学动力学模型为4组分、4反应的有限速率化学反应模型,采用二阶精度NND格式数值求解耦合化学反应源项的N S方程组。数值模拟的结果揭示了喷管内的流场结构,反映了喷管内的离解电离状况,得到了推力器的推力和比冲。分析表明,数值方法有效,计算结果合理,具有工程应用价值,能为相关研究提供参考。     

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.     

高超声速喷管非平衡尺度效应的数值分析

采用轴对称热化学非平衡全N—S方程，数值分析了高超声速喷管流场中非平衡引起的尺度效应。并给出计算条件下喷管轴线上的物理量和化学组元分布。计算结果表明，在喉部下游不远处流动趋近于化学冻结和热力冻结状态。流场(特别是核心无粘流区)的特性不仅取决于流动尺度的相对值，也取决于其绝对值。     

高超声速喷管三维热化学非平衡流场的数值模拟

利用数值求解三维热化学非平衡Navier-Stokes方程的方法和多块网格技术,数值模拟了典型高焓激波风洞锥型喷管的三维非平衡流场,分析了热化学非平衡效应对喷管流动的影响,给出了平动温度、组分N2和O2振动温度、马赫数和组分质量分数在轴对称线上的分布,也给出了喷管出口附近的速度和温度沿径向分布等结果,获得了喷管流场的详细信息,并与已经存在的采用轴对称Navier-Stokes方程计算的结果,进行了比较,二者吻合得很好.计算结果表明:目前的代码是可以模拟多块结构网格下的热化学非平衡流动的.     

高压段含有颗粒的含灰气体激波管流动数值模拟

本文给出了用类特生法计算的高压室含灰的无限长激波管非平衡流动解。以膜压比Ｐ４１＝５．０、高压室含灰的体积分数α４＝０．０１为例，详细分析了非平衡流场，并同冻结流解和平衡流解作了详细的对比分析，清楚地显示了含灰气体激波管非平衡流动从冻结流向平衡流过渡的各种细节，说明了基于冻结声速的非平衡流类特征线法计算何以能得到无限趋近于平衡流解的原因。本文的结果表明，类特征线方法可以提供非常精细的气固二相流非平衡     

不同热化学非平衡模型对高超声速喷管流场影响的数值分析

采用轴对称NS方程,数值研究不同热化学非平衡模型对高超声速喷管流场的影响,包括:(1)不同组元数的高温空气模型(5组元、7组元1、1组元)的比较;(2)热力非平衡(双温度)的化学动力过程与热力平衡(单温度)的化学动力过程的比较。计算结果表明,高焓风洞实验条件下喷管流场处于热力和化学都是非平衡的状态。在计算条件下,数值模拟以采用7组元或11组元的热化学非平衡模型为宜。     

超高速高焓流动研究进展

本文介绍了中国科学院高温气体动力学重点实验室在超高速高焓流动模拟技术和试验方法方面取得的研究进展.文章主要包括三部分研究内容:第一部分是关于发展先进的超高速试验模拟技术,包括爆轰驱动高焓激波风洞和爆轰驱动高焓膨胀管.高焓激波风洞产生的超高速气流速度的范围是3.5km/s～6.0km/s,高焓膨胀管能够模拟速度为6.5km/s～10km/s的超高速气流.第二部分介绍高焓激波风洞喷管流场诊断结果,用来检验喷管产生的超高速流场的流场品质及其与飞行条件的差异.第三部分是关于超高速流动的试验方法和数值技术研究,包括高焓流动中真实气体效应对飞行器俯仰力矩变化的影响;热化学反应流动中表面催化效应诱导的气动热变化规律;喷管流场的气流非平衡效应对试验结果可能产生的影响.     

电弧风洞内球锥全目标绕流场计算分析

针对电弧风洞高焓气体来流条件,通过数值求解三维化学非平衡Navier-Stokes方程,分析无烧蚀球锥全目标绕流场真实气体效应.考虑空气电离化学反应系统,包含7个化学组元和6个反应方程.差分算法是隐式NND格式.依据实验来流条件,计算了不同壁温及不同壁面催化特性下的流场结构和电子数密度,观察了来流非均匀性的影响.结果表明.尾迹区对模拟条件较敏感,其电子数密度随壁温降低而升高,完全催化壁的电子数密度约比非催化壁低近一个量级,实验状态的计算应采用风洞实际来流条件,     

跨音速洞壁干扰对翼型试验影响的实验研究

在南京航空学院NH-1三音速风洞进行了NACA 0012翼型跨音速风洞实验,讨论了洞壁开闭比和模型尺寸对驻室参考点静压、翼型表面压力分布的影响。结果表明,开闭比和模型尺寸对驻室静压有明显影响,开闭比对翼型表面压力分布有很大影响。在α=0°时,超临界流动条件下,当开闭比从6％变到0.5％时,翼型上表面激波位置向后移动范围达20％的弦长;开闭比为4％时,翼型接近于无堵塞干扰。当α=1°和M_∞=0.759时,消除洞壁干扰的最佳开闭比为4％。因此,开闭比改变引起的洞壁效应对翼型气动力特性的影响是值得重视的     

跨音速喷管化学反应流数值模拟

用时间相关的半隐格式有限差分数值方法求解了化学非平衡反应跨音速喷管流场，在喷管收敛段，流动接近化学平衡状态，控制方程的刚性问题严重，数值积分困难。通过对时间差分项隐式离散、对空间差分项显式离散，流场边界采用参考平面上的特征线法计算等，成功地解决了由于化学反应有限速率带来的数值解不稳定问题。该格式简单、需要计算机存贮空间少。本文完成了一维和轴对称非平衡化学反应喷管流动计算，并与化学平衡流和冻结流的计算结果做了比较。     

跨流域空气动力学模拟方法与返回舱再入气动研究

针对回收类航天器(返回舱)再入过程所遇跨流域多尺度非平衡绕流问题,综述基于Boltzmann方程碰撞积分物理分析与可计算建模,构造考虑完全气体、转动非平衡、含振动能激发热力学非平衡效应各流域统一Boltzmann模型方程,及由此建立返回舱再入气动力热绕流问题气体动理论统一算法研究进展与算法检验。作为方法间验证结合,进一步简述了融合再入热化学稀薄气体电离非平衡流动DSMC方法、近连续过渡流区N-S/DSMC耦合算法、经滑移边界修正的N-S方程解算器、低密度风洞实验测试等多种空气动力学模拟手段,建立求解Boltzmann模型方程气体动理论统一算法(GKUA)、DSMC、N-S/DSMC、滑移N-S解算器、低密度风洞实验验证补充,适于返回舱再入从外层空间自由分子流到近地面连续流跨流域空气动力学一体化模拟平台。将此平台用于再入H=110～30km各流域球体、高超声速尖前缘中空柱裙、返回式卫星球锥体、飞船返回舱稀薄过渡流以至近连续流区气动力/热与姿态配平绕流问题计算与实验分析比较,证实统一算法在高稀薄流区,与DSMC吻合很好;在连续流区,与(滑移)N-S解算器相一致;在中间过渡带,与N-S/DSMC耦合算法相容;具有全飞行流域很好的计算一致收敛性。简述了跨流域空气动力学几种模拟手段的适应性特点与展望,揭示了返回舱再入跨流域复杂高超声速流动变化规律。     

固体火箭发动机内流场分区耦合数值计算

采用分区耦合方法计算固体火箭轴对称燃烧室与喷管流场。对于低速的燃烧室流场，选用不可压流的Ｎ－Ｓ方程描述并用ＳＩＭＰＬＥＣ方法数值求解；对于高Ｒｅ数的喷管流场，则采用Ｅｕ－ｌｅｒ方程描述并用ＳＣＭ方法求解。计算时用燃烧室出流为喷管流场提供入口参数，同时用喷管流场压强分布反馈影响燃烧室流动状况。对耦合边界条件处理方法进行了探讨。对典型的侧壁加质燃烧室与喷管流场进行了计算，计算结果揭示了单独喷管流场计算难以反映的喷管收敛段近壁区的低速区域，与已有的燃烧室流场实验结果一致并反映了燃烧室与喷管流场之间的联系，较好地模拟了流动中的物理现象。     

跨声速开槽壁超临界翼型洞壁干扰的N—S方程模拟

本文采用二维可压缩非定常Ｎ－Ｓ方程模拟了带有上下开槽壁的跨声速二维管风洞中超临界翼型绕流的流场。网格生成中内层采用解双曲型偏微分方程，外层采用代数生成法。开槽壁采用只有压力梯度没有顶板运动的Ｃｏｕｅｔｔｅ流动的解析解近似。推导出槽间流动与开闭比的三次方关系。上下壁边界层可由无滑移条件直接模拟，也可用平板边界层近似。本文对驻室压力作了几种近似处理，结果表明，所给Ｎ－Ｓ方程的边界条件与风洞实验多接近一     

高超声速化学非平衡粘性激波层方程的数值解

本文讨论了高超声速粘性激波层方程数值计算时差分格式引起的物理失真问题。具体分析了全隐格式格式粘性的影响,并作了数值试验。为了验证隐式结果的可靠性。在超声速激波风洞中测量了钝锥的表面压力分布,并与计算结果作了比较,两者基本一致。 本文采用隐式有限差分法数值计算了高超声速化学非平衡粘性激波层绕细长球锥的流动。计算时采用连续方程和法向动量方程耦合求解的方法以解决细长体远后身区计算中的问题。应用网格技术和加强系数矩阵主对角元素优势的方法提高了化学非平衡流计算的雷诺数范围。文中给出了高超声速化学非平衡流的计算结果,并与其它文献的结果作了比较。     

真实气体效应对双楔绕流流动特性的影响

为研究高马赫数下真实气体效应对双楔绕流流动特性的影响，采用量热完全气体模型和化学非平衡气体模型两种气体模型对层流流态、转捩流态、全湍流流态的双楔绕流流场进行了数值模拟，其中转捩流态计算采用基于间歇因子的γ-Re_θt转捩模型，全湍流计算中采用k-ωSST湍流模型。结果表明：双楔拐角附近发生流动分离，与量热完全气体模型相比，相同流态下，化学非平衡气体模型计算得到的分离区尺寸更小。在边界层转捩位置的分析中发现，双楔拐角附近的分离区对边界层转捩有重要影响，分离激波产生的位置与边界层开始转捩的位置高度吻合，与量热完全气体模型相比，化学非平衡气体模型时的边界层转捩起始位置更靠后。针对真实气体效应下单位雷诺数、拐角角度对边界层转捩的影响规律研究发现，真实气体效应在一定程度上抑制了分离区内的转捩流动，随着单位雷诺数减小、拐角角度增大，真实气体效应对边界层转捩的影响随之增大。     

完全催化壁驻点高超声速流动加热地面模拟方法研究

在地面高焓风洞中准确模拟高超声速头部驻点区化学反应流动加热,从平衡边界层和冻结边界层驻点气动加热公式出发,分析了离解焓对不同催化特性驻点加热的影响、地面风洞非平衡来流条件下头激波后的流场参数变化规律和与天上飞行条件的差异,分析了壁面催化特性对流场参数的影响,建立了地面高焓风洞模拟完全催化壁驻点气动加热的模拟准则:只要在风洞条件下实现对驻点压力ps、驻点速度梯度βe、来流总焓hs的模拟,则能够复现天上状态的气动热载荷。针对不同半径的飞行器头部驻点开展化学非平衡流场数值模拟进行了验证,表明:地面风洞无法完全模拟飞行器头部绕流流场参数,材料的催化特性对壁面附近流场中的N、O组元和壁面热流影响较大;地面风洞采用半径1∶1的模型模拟完全催化壁驻点加热会偏低于天上状态,而根据三参数模拟准则确定的模型尺寸能够同时复现天上状态驻点区的焓、压力、热流,且随着飞行器头部半径增大头部驻点线近壁面附近的温度、组元N、O梯度与天上会趋于一致。