基于自适应网格加密的超声速可燃气热射流起爆详细反应数值模拟

采用块结构自适应网格加密开源程序AMROC,在高性能计算集群中,进行氢气、氧气、氮气详细反应机理的二维超声速热射流爆震起爆自适应网格精细数值模拟,研究在热射流的持续喷射作用下超声速可燃气热射流爆震起爆,以及形成的精细的爆震胞格结构.结果表明:超声速可燃气流中热射流类似气动斜劈,形成局部激波诱导燃烧.超声速可燃气中持续的热射流喷射会形成过驱爆震,并导致不规则爆震胞格的生成.热射流的扰动压缩作用对过驱爆震的形成以及不规则爆震胞格的产起着关键的作用.热射流的扰动压缩波以当地声速通过爆震波后的亚声速区域作用于爆震波,使爆震波处于持续过驱状态,并形成不规则的爆震胞格结构.     

超声速气流中凹腔主动喷注的强迫点火过程实验研究

为了研究在总温846K,总压0.7MPa,入口来流马赫数2.1的超声速来流条件下凹腔主动喷注对点火过程的影响,利用高速摄影相机进行观测,对比了凹腔前壁喷注、后壁面喷注等组合喷注方式下开展的发动机乙烯点火试验。基于对高速摄影图像处理的统计分析,研究发现在点火工况条件下,凹腔后壁面喷注相比于前壁喷注更容易使整个凹腔内形成稳定的火焰,当凹腔主动喷注当量比达到0.03时就能使凹腔内形成稳定的火焰;在凹腔后壁面喷注的条件下,当凹腔主动喷注当量比达到0.06,全局当量比达到0.17时,火焰就会穿过剪切层引燃凹腔下游横向射流,在整个发动机中稳定燃烧;凹腔前壁喷注和后壁面喷注相结合的喷注方式能进一步促进初始火核的形成与传播,当凹腔主动喷注当量比达到0.05,全局当量比达到0.16时,火焰就能穿过剪切层引燃凹腔下游横向射流,在整个发动机中稳定燃烧。     

高超侧压进气道溢流方案的改进与分析

为了提高高超侧压进气道的性能,通过在其侧板上方添加盖板与在底板开槽的方式对其溢流方案进行了改进.对原型与改型进气道进行了来流Ma =4 ～7流场的数值模拟,并对两进气道进行了Ma =4时不同攻角下的起动性能试验.结果表明,低马赫数时(Ma =4,5),在总压恢复系数基本保持不变的前提下,改型进气道的流量系数较原型进气道获得大幅提升,Ma =4时,提高20.6％,Ma =5时,提高11.5％.在流量系数增加的同时,起动性能也获得大幅提升,来流为Ma =4时,由-2°攻角下起动提升为+4°攻角下依然可以实现起动.由于溢流方案的改进针对低马赫数时的进气道流场,在高马赫数时(Ma =6,7),进气道的性能基本不变.研究表明,抑制侧板间溢流的同时引入底板溢流的方式是提高高超侧压进气道综合性能的有效途径.     

复杂湍流流动的混合RANS/LES方法研究

混合RANS/LES方法是近年来复杂湍流模拟的重要方法。简要回顾了混合RANS/LES模拟方法的发展历程,着重总结和分析了分离涡混合模型、类Menter SST混合模型以及湍流能量谱一致混合方法三类混合模型的构造方法和发展历程,对这三种方法的应用以及优缺点进行了简要评述,最后指出了混合RANS/LES方法发展应该兼顾的问题,为下一步的混合RANS/LES模拟提供了参考。     

二维凹腔超声速流动的混合RANS/LES模拟

基于Menter的k-ω SST湍流模型构建了一种混合RANS/LES模拟方法,通过采用一个与到壁面距离相关的衔接函数将处理近壁区的SST模型过渡到处理主流区的Yoshizawa一方程亚格子模型.利用此方法对用于超燃冲压发动机的凹腔的二维超声速流动进行模拟,模拟结果再现了二维凹腔剪切层的拟序结构,计算得到的凹腔自激振荡频率、时均统计的压力分布以及压力剖面与实验结果吻合较好.     

超燃发动机燃烧室流场的数值模拟

用显式有限差分法对超燃发动机（Ｓｃｒａｍｊｅｔ）的燃烧室内流场进行了数值模拟。计算中采用了ＭａｃＣｏｒｍａｃｋ两步显格式、Ｂａｌｄｗｉｎ－Ｌｏｍａｘ代数湍流模型以及两方程、四组分的化学反应模型。为了解决源项的刚性问题，运用点隐式方法对它作了隐式处理。     

支板喷射超声速湍流燃烧的大涡模拟

为了发展可行的超声速湍流燃烧大涡模拟方法,将设定型PDF(Probability Density Function)模型与LES(Large Eddy Simulation)相结合以封闭亚格子湍流-燃烧相互作用,并将模型用于支板喷射超声速湍流燃烧流场的数值模拟。分别对冷流及燃烧流场进行了模拟,计算结果与实验测量符合较好,表明了所采用方法及模型的可行性。冷流条件下,大尺度湍流涡通过卷吸、拉伸运动主导支板尾迹区的近场混合,并通过破碎过程影响远场混合。燃烧条件下,回流区尺度扩大,剪切层中形成的高温燃烧产物通过大涡卷吸以及回流区末端对流作用进入回流区并与其中的燃料喷流相互作用,使部分燃料预热升温并进入回流区两侧剪切层与主流空气混合、燃烧,从而实现火焰稳定。在薄反应剪切层及大尺度反应涡的边界区域,LES网格不足以直接求解湍流与燃烧的相互作用,PDF模型给出了较强的亚格子脉动。     

宽高比对侧板前掠二维高超声速进气道启动特性影响研究

在总收缩比和内收缩比一定的前提下,对不同宽高比的侧板前掠高超声速进气道启动过程进行了研究,总结了宽高比对这类构型进气道启动性能的影响规律,对比了不同宽高比构型启动过程的差异,分析了造成这些差异的流动机理。结果表明:宽高比对侧板前掠二维进气道的启动马赫数有显著影响,宽高比3.0,4.5,6.0的进气道启动马赫数分别为3.5,3.9,4.6。不同宽高比不启动状态的共同特征,是内收缩段底板附近存在大规模流动分离,分离形成的溢流主要通过前掠侧板形成溢流窗口进行横向溢流,横向溢流对分离区流场结构有重要影响。在启动过程中,宽高比通过影响不启动状态分离区的展向尺度,影响了横向溢流对分离区排移效果,从而影响了进气道的启动性能。     

超声速预混气扩张流道热射流起爆研究

为深入理解超声速预混气射流起爆过程机理,采用块结构自适应网格加密程序AMROC,在并行计算系统中模拟单边扩张流道中H2/Air超声速预混气在持续热射流作用下的爆震起爆过程。结果表明,5.4°扩张流道上方的4mm宽度热射流在140μs时间内成功起爆了超声速预混可燃气;形成的爆震波前传速度为55.9m/s,过驱度只有1.059,接近为CJ状态的爆震波;扩张壁面使得射流诱导形成的弓形激波出现分离激波,分离激波与弓形激波相交导致弓形激波波后温度的升高,从而加速了爆震波面的形成;在扩张壁面的作用下,射流起爆的爆震波面更接近于CJ爆震波面。     

电弧风洞高焓流场模拟与气动热校核研究

为了在电弧风洞更好地开展高超声速飞行器防热材料或结构热考核试验,基于有限体积离散,建立了针对电弧风洞高焓试验状态的多组分热化学非平衡流场数值模拟方法。针对中国空气动力研究与发展中心20MW电弧风洞不同试验模型的高焓流场进行了模拟,获得了试验状态的流场特性和模型表面热流分布,通过与试验测量值比较验证了计算方法。研究发现在喷管出口和试验模型之间的轴向距离很近的情况下,可以采用喷管流场和模型绕流分开模拟。通过对比数值模拟方法中的热化学模型,表明采用Gupta 7组分和5组分空气化学反应数据获得的模型表面热流非常接近,同时相比单温度模型结果,双温度模型结果与试验测量结果更接近。比较了多个状态条件下计算和试验测量获得的试验模型表面热流,发现二者相差都在15%以内,验证了建立的数值方法模拟该风洞高焓流场的可靠性。