基于Euler方程的返回舱气动外形优化设计方法研究

基于优化软件平台,选用合适的优化算法,完成优化设计。应用快速气动分析软件,通过求解Euler方程得到高超声速气动力特性,求解Fay-Riddell公式计算表面热流,通过算例对比验证了该方法的精度和效率。在CTV返回舱基础上验证并初步形成了快速有效的气动布局优化设计的方法,应用该方法完成了类神舟飞船返回舱外形的初步优化设计,为进一步的优化设计研究工作打下基础。     

高超声速有攻角锥裙直接数值模拟

采用直接数值模拟方法对有攻角的高超声速7°～34°锥裙开展了数值研究,通过对比0°、90°、180°周向子午面,评估了三维横流效应对激波/边界层干扰的影响规律和作用机制,包括壁面压力、摩阻、热流分布,分离泡非定常运动,再附边界层演化等。研究发现,不同周向站位均出现流动分离,横流区、迎风区内复杂激波结构与边界层相互作用导致壁面压力、摩阻、热流显著升高。热流与压力的比值在干扰区上升后由于再附降低,而热流与摩阻的雷诺比拟关系在分离区则完全失效。分离泡面积脉动的功率谱结果表明,分离泡非定常膨胀/收缩运动呈低频特征,且分离泡呼吸与激波低频振荡在横流区密切相关,在迎风区存在迟滞,而在背风区不相关。速度脉动场的本征正交分解结果表明,分离区的低频特征与低阶模态相应的剪切层附近大尺度结构相关。对下游再附边界层演化分析指出,攻角的存在导致雷诺应力在再附点附近大幅增强,其流向分量的恢复最为迅速,雷诺应力分量的峰值位置在背风区沿流向持续外移,而在迎风区、横流区已迅速向内层恢复。此外,雷诺应力各向异性不变量分布进一步表明干扰下游的近壁区湍流各向异性峰值在背风区弱于迎风区。     

6°攻角尖锥高超声速边界层高频不稳定波实验研究

边界层转捩对高超声速飞行器的气动力和气动热设计有重要影响。横流失稳通常是三维边界层转捩的主导因素,而在噪声环境下,第二模态不稳定波的影响也不容忽视。为深入理解带攻角情况下高超声速边界层的转捩机理,在Mach 6 Ludwieg管风洞中采用聚焦激光差分干涉仪（Focused Laser Differential Interferometer, FLDI）和高频压力脉动传感器（PCB）对6°攻角尖锥进行了边界层稳定性实验研究。实验结果显示,在尖锥边界层的不同周向位置存在高频不稳定波。通过功率谱分析和双谱分析,得到该不稳定波沿母线的变化情况以及该高频不稳定波与低频信号（20～40 kHz）之间存在的非线性相互作用。     

基于全线程树数据结构的笛卡尔网格高效生成技术

笛卡尔网格方法具有易于自适应、自动化程度高、网格质量好等优势。由于其非贴体特性,在处理复杂构型或者复杂流动问题时候往往存在网格量过大的问题,不容忽视。笛卡尔网格生成的效率直接影响了整个计算周期的长短,有必要发展高效的生成技术。对于笛卡尔网格而言,决定网格生成效率的关键在于网格数据结构,其直接影响计算量和存储量。针对三维构型进行笛卡尔网格生成,发展了邻居查询更快捷、内存利用率更高的全线程树数据结构,并在本文的方法框架下进行了适应性应用和改进。同时,为了高效地判断网格单元类型,构建了物面单元的快速检索方式,并引入了染色方法,进一步提高网格生成效率。还提出了一种鲁棒的奇异性检测算法,保证网格单元类型判断的鲁棒性。在流场解自适应方面,采用的是速度散度和旋度相结合的三维判据,以保证对于多种流动特征的捕捉能力。通过圆球、导弹、翼身组合体、机翼-副翼等算例进行了考核验证,经对比,网格自适应位置与理论解吻合较好,且网格单元生成耗时短、平均耗时受物面网格分布影响小,证明了方法的可靠和高效性。     

化学氧碘激光(COIL)三维混合反应流场数值模拟研究

通过求解层流Navier-Stokes方程和组分输运方程,数值模拟了化学氧碘激光(COIL)三维扩压器和光腔中10组分21反应的内流流场,计算中没有考虑水蒸气在低温下的冷凝以及激光能量的输出。通过与国外文献计算结果比较可知,物性系数、化学反应速率常数、边界条件处理等对组分浓度影响较大,缺乏这些数据库将会影响计算结果。计算表明,三维副流射流基本穿透主流到达中心线,主副流混合较强,激发态粒子高浓度区主要在中心线附近,因此,也只有在中心线附近有较强的小信号增益系数,进一步研究混合增强技术可以提高原材料的使用效率以及激光的出光功率。本研究可为强激光武器系统之新型压力恢复系统的设计提供技术储备。     

飞船返回舱俯仰振荡的动态稳定性研究

本文研究了以平衡攻角为中心作单自由度俯仰振荡的飞船返回舱 ,其动态稳定形态随来流M∞ 的变化。设θ(t)是由平衡攻角起算的俯仰振荡角 ,Cm 是作用在飞船返回舱上的气动俯仰力矩系数 ,Cμ(θ, θ)· θ是机械阻尼力矩 (自由飞行时为零 ,实验时要计入其影响 ) ,文中给出飞船返回舱在平衡攻角处的俯仰振荡动态稳定性判据 ,并证明λ =λ(M∞) = Cm θ0+Cμ(0 ,0 ) 1 - Cm ¨θ0 是决定动稳定形态的重要参数。如果随M∞ 的变化 ,λ(M∞)由λ<0经过λ =0变化到λ>0 ,则飞船返回舱将由稳定的点吸引子形态 (即稳定在平衡攻角状态 )演化为周期吸引子形态 (即作周期振荡 )。对应于λ(M∞) =0的马赫数就是飞船返回舱的俯仰运动出现Hopf分叉的临界马赫数Mcr 。本文首先分析了飞船返回舱所受动态气动俯仰力矩的依赖状态变量 ,然后应用非线性动力学理论对飞船返回舱的俯仰运动进行了定性理论分析 ;最后耦合求解俯仰振荡方程和非定常Navier Stokes方程 ,数值模拟了飞船返回舱俯仰振荡随来流马赫数变化的Hopf分叉过程 ,验证了分析结论     

国家数值风洞(NNW)工程在高超声速中的应用研究进展

随着CFD技术的快速发展,CFD数值模拟软件在飞行器研制中得到广泛应用,并已渗透航空航天等诸多领域的各个阶段,发挥着越来越重要的作用。国家数值风洞（NNW）工程坚持边建边用的原则,通过集成结构力学、飞行力学、工程热力学、声学、光学、电磁学、多相流体力学等学科软件,在航空航天、交通运输、能源动力、环保减灾等领域发挥了积极作用。总结了NNW软件在高超声速飞行器边界层转捩、湍流、高精度方法等领域的应用成果以及在解决复杂流动干扰、动态稳定性和多学科耦合问题上的最新进展。通过案例展示,使相关从业人员了解NNW软件的功能、特点,促进系列软件在全国的推广和应用。     

惯性颗粒在非均匀加速流中的输运问题

基于新型碳基颗粒增强或碳基纤维材料的再入体热烧蚀问题对飞行器的气动力/热性能影响机制尚不明确。初步研究不考虑化学反应和气体引射效应,把热烧蚀问题中的颗粒剥离问题模化为驻点流中的离散颗粒启动问题。由于高速气流在驻点温度达上万度量级,局部马赫数接近于0,研究近似假设靠近壁面的流体动力学为不可压缩的,并使用不可压缩颗粒解析的直接数值模拟方法（PR-DNS）研究一个惯性颗粒在平面挤压流和壁面驻点流中的动力学,从而揭示在驻点流中的颗粒输运机制。研究发现颗粒在壁面驻点流中的输运机制是水平输运,几乎没有垂直输运,与平行剪切颗粒床输运非常不同,这是驻点流特有的垂直向下挤压作用导致的。     

PID控制器与CFD的耦合模拟技术研究及应用

飞行控制系统（FCS）与计算流体力学（CFD）的耦合求解是一个崭新的研究领域。传统的飞行控制系统的工程仿真方法依靠气动力模型或气动力数据库得到不同飞行姿态的气动力;而当前方法通过耦合求解Navier-Stokes方程和刚体动力学方程（RBD）以获取飞行器运动过程实时流场和非定常气动力。由于充分反映了气动力的非定常、非线性效应,因而从根本上保证了飞行控制系统仿真的精度。以方形截面导弹俯仰姿态控制为例,首先给出了系统的传递函数,并基于系统在单位阶跃舵偏操纵下的开环响应特性,提出了传递函数的修正方法,进而设计了该外形俯仰姿态控制的PID控制器。数值模拟了不同控制参数时,P控制器、PD控制器和PID控制器的控制效果。针对不同的控制指令,根据建立的控制律,数值模拟了飞行器在PID控制器作用下的实时响应过程,最终成功实现了对飞行器的俯仰姿态控制。研究发现,当飞行器作慢速机动时,工程仿真与CFD数值计算的结果吻合很好,两种方法可以互相验证;但快速机动时,两种方法给出的结果差异明显,基于CFD的耦合模拟方法由于模拟了飞行器运动和舵面偏转导致的非定常流动过程,其结果比基于静态气动力的工程方法的可靠性更高。在大攻角和快速机动等非定常效应较强时,采用CFD方法评估和验证飞行控制系统是很有必要的。     

风洞分流锥及孔板整流的数值模拟研究

采用数值模拟技术研究了2m×2m超声速风洞设计引导试验大开角扩散段配置一个中心倒锥和两层球冠状孔板的内流场,中心倒锥和两层球状孔板的不同组合共有五套。孔板有几百至上千个开孔,是模拟的难点,发展了一种孔板流动CFD边界条件模型。另一个难点在于风洞管道内流入口和出口边界条件的准确处理。计算表明,分流锥可将流动有效抑制在大开角洞壁附近,防止洞壁附近的扩张分离,但在分流锥底部将产生大尺度的分离涡环结构,经过孔板的整流后,总压有较大损失,但流线趋于平直,可达到预期效果。