Simulation of streamwise vortices at the flaps of re-entry vehicles

The present study investigates separated flows in the flap region of the X-38 re-entry demonstrator with respect to the heat loads downstream reattachment induced by streamwise vortices. In a first step generic numerical flow simulations of turbulent ramp configurations with artificially induced vortex disturbances are compared with wind tunnel data of the Ludwieg tube facility in Göttingen (RWG). The results allow insight into the perturbed flow field, the associated flow topology and the influence of different flow parameters that affect the perturbations. For numerical resolution of streamwise vortices in the boundary layer of re-entry vehicles local grids are generated around the flaps of the X-38 vehicle. Extensive studies of arranging and refining the local grids demonstrate good grid convergence. For laminar cases and cases with fixed transition vortex effects on the heat transfer are observed with and without artificial vortex excitation.

Zusammenfassung

Ziel der vorgelegten Studie ist die Untersuchung abgelöster Strömungen im Klappenbereich des X-38 Wiedereintrittsdemonstrators hinsichtlich der durch Längswirbel entstehenden thermischen Belastungen stromab der Anlegelinie. Im ersten Schritt werden turbulente generische Rampenkonfiguratiorien mit künstlich induzierten Wirbelstörungen mit Windkanaldaten des Ludwierohrkanals in Göttingen (RWG) verglichen. Die Ergebnisse erlauben einen Einblick in die Störströmung, der zugehörige Strömungstopologie und der Einflüsse verschiedener Parametervariationen auf die Störströmung. Zur numerischen Auflösung der Längswirbel in der Grenzschicht von Wiedereintrittsvehikeln wurden lokale Netze um die X-38 Klappen generiert. Ausführliche numerische Studien nach Umordnung und Verfeinerung der lokalen Netze zeigen eine gute Netzkonvergenz der Ergebnisse. In laminaren Fällen und solchen mit fester Transition wurden Wirbeleinflüsse auf den Wärmestrom mit und ohne künstliche Wirbelanregung beobachtet.     

超声速补燃的三维数值模拟和实验研究

利用贫氧固体推进剂燃烧产生的高温燃气与侧喷空气混合进行了超声速补燃实验。运用有限体积法求解三维N-S方程和组分连续方程组，对实验所涉及的化学反应流场进行了数值模拟。通过考察两种掺混器的穿透深度、流向涡强度等参数，比较了二者的混合及燃烧增强效果，分析了原因。结果表明在所研究的工况下，桶型掺混器性能更优。     

二元进气道非均匀超音来流试验研究

介绍一种二元进气道模型在非均匀超音来流中的初步研究结果。试验在DLR小型超音风洞上进行。为造成非均匀来流条件,试验中将部分或全部试验段顶壁附面层引入进气道模型。结果表明,进气斜板产生的头激波与来流附面层相互作用的性状在不同的附面层隔道下变化极大。随隔道高度增加,激波附面层相互作用距离L起初亦增加,当全部附面层被排移后,L大幅度下降。与均匀来流试验结果相比较,当来流顶壁附面层全部被进气道吞入时,该进气道总压恢复σ及质量流率m分别降低18％及15％(M_∞=2.19),同时出口面总压畸变大幅度增加。文章分析了原因及对进气道性能影响的强度。     

带放气槽的定几何二元倒置“X”型混压式超音速进气道实验研究(英文)

针对一种带放气槽的定几何二元倒置"X"型混压式超音速进气道进行了风洞吹风实验。结果表明:随着来流马赫数的增加,进气道总压恢复系数不断减小,流量系数却先增加,在设计点达到最大值后减小;当攻角变化时,两侧进气道变化各异,在小攻角α≤60时,随着攻角的增加,迎背风两侧进气道的总压恢复系数均有所下降,但背风侧进气道总压恢复系数高于迎风侧进气道,在流量系数方面,背风侧进气道先增加后减小,而迎风侧进气道一直保持缓慢下降,但两侧总的流量保持变化不大,在大攻角(α=60-90)状态下,背风侧进气道总压恢复系数和流量系数均下降剧烈,而迎风侧进气道总压恢复系数下降但流量系数却有所上升;同时,通过与不带放气槽进气道的速度特性以及反压特性对比发现,放气槽的存在不但增加了进气道的稳定工作范围,而且对进气道在高马赫数下性能的提高也大有裨益。本文为倒置"X"型进气道的设计、改进提供了实验依据。     

超音速气流中横喷氢气自动着火与燃烧非定常过程的实验研究

进行了Ｍ＝２超音速流中横喷氢的自动着火及燃烧非定常过程实验研究，用高速纹影摄影、壁面动态和静态压力测量仪及壁温热电偶等进行了测量。得到了喷嘴后回流区壁压随时间的变化规律，以及壁压和壁面秒温升沿轴线的变化趋势。获得了来流空气总温和喷氢量对自动着火过程的影响。     

二元混压超声速进气道三维流动数值分析

按照MacCormack时间分裂方法，应用NND格式、对流迎风矢通量分裂（AUSM）技术和Baldwin-Lomax混合长度代数湍流模型，对贴体坐标下三维雷诺平均N－S方程进行有限差分离散。数值计算了均匀来流和非均匀来流条件下二元混压超声速进气道三维湍流流动态，分析了该进气道主要性能参数随出口反压、来流马赫数、导弹工作高度及飞行攻角的变化特性，为深入研究进气道性能提供了一定辅助手段。     

非对称型DCR进气分流流场数值分析

采用矢通量分裂法对非对称型二维ＤＣＲ进气分流流场进行了数值模拟，通过求解Ｎ－Ｓ方程组，获得了全场清晰的物理图象，文中对计算结果作了分析讨论。     

超音速气流中横向喷射氢气流场数值模拟

本文通过应用Mac Cormack显式时间分裂法和Baldwin-Lomax修正的代数湍流模型求解二维可压缩的N-S方程和混气组分方程,对超音速气流中横向喷入氢气后的流场进行了数值模拟。计算结果示出了流场中速度矢量分布,静压、静温和氢气质量分数的等值线分布,反映出了喷嘴附近流场回流区的大小及可能的点火位置,从而为超燃冲压发动机的设计工作提供理论指导。     

高超侧压式进气道参数分析及试验研究

分析了高超侧压式进气过第一、二溢流窗的溢流角随后掠角的变化规律，分析了溢流窗气流与主流相互作用而形成一道脱体曲面激波的原因，设计了侧压角为６°，后掠角３０°的直前缘及圆弧前缘两套高超侧压式进气道，在Ｍ５．３风洞中利用风洞壁面自然发展的附面层进行非均匀来流下进气道起动性能及总体性能试验，试验发现大量附面层吸入不仅对起动性能有重大影响，而且对总压恢复影响也极大。     

下一代战斗机设计中的几个飞行力学问题

综述了下一代机设计中的超音速巡航和隐形，敏捷性与过失速机动和空战模拟等几个飞行力学问题，讨论了这些问题提出了背景，每个问题中涉及的飞行力学内容，介绍了国内外在这些方面的进展，着重讨论其中的过失速机动的机理，典型飞机的非线性控制律设计以及建立作为战斗机作战效能评估所用的空战模拟软件，并在其设计中应当考虑的几个主要问题，而由此得以相应的结论。