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.     

机动飞行飞行器内具有初始弯曲和刚度不对称的转子运动模型

本文建立了位于机动飞行飞行器内且同时具有初始弯曲、不对称刚度和质量不平衡的单盘Jeffcott转子的动力学模型。当飞行器静止时,设相关参数为零后该模型与相应地面转子系统的数学模型完全相同。应用该模型可数值仿真研究飞行器运动时位于飞行器内的等转速、等加速、等减速运行转子的动态特性,研究飞行器不同飞行速度和加速度对转子动力学特性的影响,分析飞行器飞行时转子出现故障时的响应特性,从而为机动飞行器内转子的动力学分析和故障诊断提供依据。     

非定常前侧缘分离流的研究

 采用非定常涡格法 ,计算了三角形和矩形薄翼突冲起动和等速上仰这两种常见的非定常运动 ,得到了前 (侧 )缘分离涡及尾涡非定常卷起的流动图象及气动特性。分析了展弦比和攻角的影响。等速上仰的计算结果显示 ,仰起的动态过程能明显抑制分离涡面的破碎倾向 ,提高升力系数。计算结果和已有实验结果相比吻合良好     

叶片弯曲对压气机叶栅气动性能影响的数值模拟

为了研究压气机中采用弯曲叶片对叶栅流场气动性能的影响，本文应用Beam-Warming近拟隐式因子分解格式以及MML代数湍流模型，采用拟压缩性方法求解雷诺平均拟压缩N－S方程组，对弯曲叶片压气机叶栅内三维粘性流场进行了数值模拟。结果表明，在给定的条件下，三种叶栅内涡系结构具有某种相拟似性。反弯叶栅吸力面／端壁角区分离严重，中部流动较为理想；正弯叶栅基本消除了吸力面／端壁角区分离，但中部分离较明显；这些又导致三种叶栅流道中涡的大小和强弱存在明显的不同。计算结果与实验结果比较，两者吻合较好。     

组合体大迎角侧向气动特性研究

本文通过实验和理论分析，集中研究小展弦细长翼的翼身组合体的大迎角横向气动特性。研究表明，在大迎角定常非对称涡的范围内，由于翼身组合段对后柱体的边界层分离起遮蔽作用，大大削弱了非对称头涡在后柱体上诱导的侧力。实验证实，平置式翼身组合体的侧力要比单独体的侧力大；带两对弹翼的一般翼身组合体，它的侧力主要由前体以及弹翼组成，如果前体涡在弹翼上诱导的侧力与前体的侧力同向，则该侧力要比平置式布局“-О-”的侧力大得多。     

翼身组合体大迎角前体非对称涡流动性态研究

在亚临界流动范围内,对于带有鸭翼、机翼的翼身组合体,在其头尖部带有确定扰动的条件下,研究模型大迎角下的非对称背涡结构及其气动力特性随扰动周向角的演化规律。通过对模型表面的压力分布和侧向力分布分析,结合流场显示结果,表明翼身组合体绕流中鸭翼前各截面均处于非对称二涡区,头部截面侧向力分布随头尖部滚转而呈现出双稳态特性,鸭翼和机翼上方的流动在大迎角下处于完全分离流动状态,从而使得模型上鸭翼之后的截面侧向力接近为零。     

细长体大攻角非对称流场控制

为了研究细长体大攻角非对称流态的机理以及开发新的控制技术进行了风洞实验.实验中观察到了侧向力的双稳态状态,并且它的正负指向很容易被来流中或者模型头部的微小扰动切换.连续改变滚转角时出现了迟滞回线.模型上游的扰动棒能改变侧向力的方向,当扰动棒移走后仍然可以保持该方向.根据以上观察,在模型头部安装了微型摆振片,该摆振片可以处在不同的周向位置.当摆振片静止时,迟滞回线消失,侧向力的方向不随紊流随机切换.截面侧向力的动态测量结果表明,当摆振片低频摆振时,侧向力可以跟随节奏变动.随着频率的增加,侧向力逐渐减少.当摆振频率进一步增加时,侧向力减少到零.如果摆振时,改变摆振片的平衡位置,则侧向力可以成比例的变化.根据上述实验实施,探讨了非对称现象的机理.     

不同头部形状单孔位微吹气扰动控制实验研究

在亚临界流动范围内,对具有不同头部形状的尖拱形细长旋成体在无侧滑大迎角下进行单孔位微吹气扰动控制实验.通过对物面压力分布、截面侧向力分布和以前细长旋成体结果的对比和分析,发现单孔位微吹气扰动对于细长旋成体横侧向控制作用在于模型头部背风侧非对称二涡结构对扰动的敏感性.实验分析表明,单孔位微吹气扰动这一大迎角非对称控制手段具有较强的适应能力,其控制能力的大小则由该头部形状的初始状态决定.     

马赫数2.5超/亚声流流向涡掺混超燃室冷态实验

结合对应的数值计算,对一种带亚声速预燃室和流向涡掺混器的超声速燃烧模型燃烧室实验台,在其进口马赫数为2.5的来流条件下,进行了冷态流场的实验研究.实验测得其壁面静压分布和激波系结构与流场的CFD计算结果基本一致.实验结果表明,模型燃烧室全流场超声速,达到设计状态.马赫数2.5下的冷态实验数据和CFD计算数据为进行点火实验提供了依据.      

改性双基推进剂拉压不对称力学性能研究

针对改性双基推进剂在不同载荷条件下表现出不同力学响应的现象,对其进行了恒应变率拉伸和压缩试验及蠕变拉伸和压缩试验,获得了4组应变率下拉压应力-应变曲线和3组温度下拉压蠕变-时间曲线,使用应力和应变拉压不对称因子反映了拉伸和压缩曲线的不对称程度。结果表明,改性双基推进剂具有明显的拉压不对称力学性能,且该性能受到应变率和温度的影响。分析了改性双基推进剂具有拉压不对称性的内在成因,认为材料初始缺陷的扩展、材料分子链移动空间的变化、基体材料与填充颗粒材料力学性能的不同是导致改性双基推进剂具有拉压不对称力学性能的内在原因。