准定常强激波马赫反射波形的数值研究

应用DCD频散控制激波捕捉格式,求解二维、多组分、带有化学反应的Euler方程组,数值模拟了准定常强激波的马赫反射问题.研究结果表明:与经典马赫反射理论相比,在强激波条件下,激波诱导的气体分子振动激发和化学反应使马赫反射的三波点轨迹角变小、马赫杆高度变低、楔顶附体激波倾角变小;马赫杆的相对突出量随入射激波马赫数和楔角的增大而增大,而气体分子的振动、离解等真实气体效应能进一步加剧马赫杆的向前突出.     

管道中复杂马赫反射流场的高精度数值模拟

本文分析了一类高精度迎风TVD欧拉方程差分格式的精度,并用240×80个网格点进行马赫反射的计算,获得了目前实验和计算不易得到的两个激波三叉点的复杂波系结构。本文还研究了激波管上壁面对马赫反射的影响,并计算了轴对称扩张管道中激波的运动及激波与半球形障碍物的相互作用。计算结果分析指出,本文所采用的高精度迎风TVD格式与计算方法可以用来模拟具有复杂波系的工程问题研究。     

展向宽度对激波入射平板反射类型的影响

激波干扰是高超声速飞行器气动布局和超燃冲压发动机设计中需重点考虑的局部干扰现象,当该现象发生时会产生复杂的波系结构,对流场行为特征产生影响,进而对飞行器物面载荷及发动机性能产生显著影响。采用数值计算方法针对斜激波入射平板问题,在固定来流马赫数5、单位雷诺数7.12×10⁶ m^-1不变的条件下,通过改变上下平板展向宽度研究了6个不同状态下的激波反射类型。结果表明在受限空间内必须考虑侧向溢流对激波反射类型的影响。随平板展向宽度增加,激波反射类型从正则反射逐渐过渡至马赫反射,且马赫杆长度变长并逐渐前移,直至导致内流道堵塞形成脱体激波。采用激波极曲线方法在激波入射角度固定的条件下对两种激波干扰类型的产生机制进行了分析,发现随激波强度增加两束透射激波极曲线上移缩小,进而造成波后流场参数匹配需求,激波反射类型逐渐从正则反射向马赫反射转变,得到了与数值计算结果一致的结论。     

气相爆震波马赫反射转变机理的实验研究

在矩形爆震管道中,选用具有规则胞格结构的高浓度氩气稀释稳态气体C2H2-2.5O2-8.17Ar及不规则胞格结构的非稳态气体C2H2-5N2O,利用纹影和烟膜实验对CJ爆震状态下的爆震波发生马赫反射的转变机理进行了研究。在楔角为30°,5k Pa初始条件下,C2H2-2.5O2-8.17Ar马赫反射转变时马赫杆临界高度约为1.25cm,过驱胞格结构出现的最小距离略小于胞格长度的1/3;C2H2-5N2O马赫反射转变时马赫杆临界高度约为1.5cm,由于其胞格结构不规则,故难以衡量过驱胞格结构出现的位置。实验结果表明:爆震波马赫反射三波点运动轨迹特征为在初始阶段遵循无反应冲击波理论,随后马赫反射发生转变使得运动轨迹逐渐平行于反应冲击波理论,从而验证了爆震波开始形成前导激波马赫反射,由于CJ区域内三波点的介入引起扰动,最终在马赫反射区形成过驱爆震的过程。     

斜激波与内凹半圆柱面无粘相互作用

针对三维内转式进气道流动中激波入射内凹壁面主导的复杂波系干扰问题，采用斜激波入射内凹半圆柱面的简化构型，在来流马赫数为6的条件下，通过无粘数值模拟结合理论分析，研究了激波角βi=14°～29°的斜激波在内凹半圆柱面反射形成的三维流场。结果表明，流场对称面均会出现显著高于二维情况的逆压梯度。当βi≤25°时，从侧壁到对称面，斜激波经历了从马赫反射（MR）到规则反射（RR）的转变，形成了MR-RR型流场，转变点处产生的桥激波向对称面延伸，桥激波在对称面反射后产生的压力峰值高于二维斜激波反射；当βi≥25°时，斜激波在侧壁和对称面均发生马赫反射，形成了MR-MR型流场，两种马赫反射分界点处产生的桥激波向侧壁发展，侧壁气流在对称面相撞后产生的压力峰值高于正激波后的压力；当βi=25°时，流场存在MR-RR型和MR-MR型双解现象。通过降维分析理论，揭示了两类流场中转变点和分界点的形成机制，并厘清了桥激波的产生原因和初期演化特征。当βi≥18°时，无粘激波干扰所主导的侧壁气流加剧向对称面汇聚，并在对称面附近产生流向涡对。无粘分析获得的认识，有助于揭示内转式进气道中流动汇聚和流向涡对等现象的形成机...     

平面运动激波在定常超音速劈表面马赫反射的研究

本文介绍了在电控双驱动激波风洞中进行的平面运动激波在有定常超音速绕流的尖劈表面马赫反射的实验。这种反射现象属于准定常的,在实验中观察到了四种反射(RR,SMR,CMR和DMR)。本文还计算了三波点Τ的迹线及弯折点Κ的迹线分别和劈面的夹角χ和χ',以及各种反射相互转变的边界。发现运动激波波前定常超音速气流马赫数Μ_0会影响χ和χ'角,使(θ_ω+χ,Μ_s)平面上各种反射的转变边界发生变化,但不影响(θ_w,Μ_s)平面上的各条转变边界线。     

欠膨胀椭圆射流的流动结构

为了探讨超声速欠膨胀椭圆射流的流动特征,采用大涡模拟（LES）方法与高精度混合格式对出口压力比N分别为14、24、40的欠膨胀椭圆射流流场结构进行数值模拟。结果清晰描述了欠膨胀椭圆射流的三维(3 D)结构特征与发展规律,并分析了因喷嘴方位曲率不一致而导致长轴与短轴平面上激波结构出现差异的原因。另外,结果还发现:当N为24时,短轴平面上射流域内的激波结构已由正规反射转变为马赫反射,但长轴平面上仍维持正规反射,而当N为40时,长轴与短轴平面上的激波结构均为马赫反射结构,由此可知喷嘴方位曲率变化越平缓,马赫反射形成所需的出口压力比越大。      

预混气爆轰马赫反射实验研究

为研究斜爆轰马赫反射的实验现象以及不稳定性对马赫反射的影响,在矩形爆轰管道中,对3种预混气的马赫反射现象进行了实验研究,取得烟膜记录。烟膜结果显示,三波点高度在楔角附近与无反应三激波理论类似,随后逐渐偏向反应三激波理论,三波点实际高度由反应实际放热量决定,三种气体偏转始末距离与结束偏转距离之比平均值分别为0.42,0.49,0.31,与三者活化能大小关系相符合。胞格结构随初始压力增大而渐趋规律,胞格尺寸也逐渐减小,由CJ区域到过驱区域胞格结构存在明显的转变。横波是影响斜爆轰稳定的重要因素,压力增大可抑制分子的无规则运动,使横波出现的位置更加集中,胞格更为规律。预混气爆轰不稳定度大的气体横波出现的时空位置更不易确定,胞格结构更不规律,胞格尺寸较小。     

隔离段抽吸引起的激波迟滞现象研究

为了研究壁面抽吸条件下隔离段流动迟滞现象,采用数值模拟和理论分析相结合的方法,模拟反压升高再降低过程,对隔离段的激波形态进行了研究。基于Zhukoski提出的中等雷诺数下(3×10~4Re_δ1.2×10~6)分离区压力与马赫数的量化关系,发展了无控制措施条件下激波串首道激波的理论模型,发现来流马赫数大于2.0时激波串首道激波反射类型为规则反射,且不会出现激波反射迟滞现象。而壁面抽吸使首道激波固定在抽吸缝位置,导致激波串首道激波强度随反压升高不断增强,边界层分离角和激波角不断增大,从而进入Von Neumann准则的双解区甚至马赫反射区,在升高及降低反压的过程中隔离段出现流动迟滞现象。研究结果进一步揭示了壁面抽吸引起的流动迟滞现象不仅包含常规RR?MR激波反射迟滞,而且包含了一种新的迟滞现象——边界层分离迟滞。     

平面激波绕矩形障碍物后的绕射与反射

本文通过激波管二维光测模型实验和采用矩形网格的FLIC方法进行数值计算两种手段针对平面激波绕矩形障碍物后的绕射与反射的问题进行了分析和研究。文中给出了绕射波的波形以及平面激波绕过矩形障碍物后与地面相互作用而产生的从规则反射到马赫反射的波系图案。本文考虑了入射激波马赫数M_i及不同矩形障碍物高度H的影响,并将二维光测模型实验同数值计算的结果进行了比较。     

斜爆轰波系在受限空间内的演变及其临界条件的数值研究

作为一种面向未来高马赫数吸气推进技术的新概念发动机,斜爆轰发动机的运行依赖其稳定的宏观波系结构。本文针对斜爆轰发动机简化模型,采用多组分基元化学反应流动数值模拟技术,数值分析斜爆轰波系在受限空间内的宏观结构特征及其演变,并进一步分析爆轰波系结构转变的临界条件。研究结果发现,随着楔面角度的增加,依次出现四种结构：激波诱导燃烧,斜爆轰波双规则反射,回流区马赫反射,楔面燃烧。对于稳定的波系结构,楔面压缩角同时存在下临界、亚临界以及超临界三种极限条件,在波系演变过程还伴随激波规则反射和马赫反射的转变。     

Effect of Stagnation Temperature on the Supersonic Two Dimensional Plug Nozzle Conception. Application for Air

When the stagnation temperature of a perfect gas increases, the specific heats and their ratio do not remain constant any more and start to vary with this temperature. The gas remains perfect, its state equation remains always valid, except it will name in more calori-cally imperfect gas or gas at High Temperature. The goal of this research is to trace the profiles of the supersonic plug nozzle when this stagnation temperature is taken into account, lower than the threshold of dissociation of the molecules, by using the new formula of the Prandtl Meyer function, and to have for each exit Mach number, several nozzles shapes by changing the value of this temperature. A study on the error given by the PG (perfect gas) model compared to our model at high temperature is presented. The comparison is made with the case of a calorically perfect gas aiming to give a limit of application of this model. The application is for the air.     

拉瓦尔喷管外发生激波反射工况详细分析

平面拉瓦尔喷管的环境压力与入口总压的比值从设计工况到第三极限工况(管口处为正激波)逐渐增大时,喷管外的激波现象不同.根据已知的激波反射理论,将设计工况到第三极限工况间的工作状况进一步细分为强斜激波工况、马赫反射工况、双解区和正规反射工况、并将由气流偏转角所表示的发生正规反射和马赫反射的条件用环境压力与总压的比值来表示,找出了强、弱斜激波的环境压力与总压比值的临界值,得到这些临界值随着喷管面积比的变化趋势.最后针对面积比为5的平面拉瓦尔喷管,由理论分析得到其管外发生正规反射、马赫反射、强斜激波反射时对应的压比分别为:0.0841,0.0959和0.2005,并用数值模拟来验证理论分析的正确性.      

热力学非平衡对超燃冲压发动机冷态流动影响研究

随着流动马赫数和温度的变化,热力学非平衡对流动的影响也在变化。为研究热力学非平衡对不同飞行马赫数条件下的超燃冲压发动机冷态流动的影响,对三个经典的超燃冲压发动机模型,包括JAXA Ma12-02超燃冲压发动机,DLR超燃冲压发动机,以及Hyshot II超燃冲压发动机进行数值模拟。针对每个超燃冲压发动机,分别采用三种热力学模型进行模拟,包括量热完全气体模型（对应冻结流动）,单温度模型（对应热力学平衡流动）以及双温度模型（对应热力学非平衡流动）。计算结果表明,热力学模型对超燃冲压发动机内流波系结构的位置有一定影响：从整体上来说,双温度模型计算所得波系位置比量热完全气体模型计算结果靠后,比单温度模型计算结果靠前;不同热力学模型计算所得波系位置在发动机前段相对较为接近,而随着向下游发展,波系位置的差别逐渐增大,这是上游每一道波系位置的差别逐渐累积的结果;在发动机前段,双温度模型计算所得波系位置更接近于量热完全气体模型计算结果。通过分析不同热力学模型计算所得激波角可以对此进行解释。而就本文涉及的三个小尺寸超燃冲压发动机而言,热力学模型对气动力和力矩的影响相对较小。不同热力学模型计算所得气动力和力矩的差别主要来源于计算所得激波串位置的差别。     

Supersonic Two-Dimensional Minimum Length Nozzle Design at High Temperature. Application for Air

When the stagnation temperature of a perfect gas increases, the specific heat ratio does not remain constant any more, and start to vary with this temperature. The gas remains perfect, its state equation remains always valid, except it will name in more calorically im-perfect gas or gas at High Temperature. The goal of this work is to trace the profiles of the supersonic Minimum Length Nozzle with centered expansion when the stagnation temperature is taken into account, lower than the threshold of dissociation of the molecules and to have for each exit Mach number several nozzles shapes by changing the value of the temperature. The method of characteristics is used with a new form of the Prandtl Meyer function at high temperature. The resolution of the obtained equations is done by the second order of finite differences method by using the predictor corrector algorithm. A study on the error given by the perfect gas model com-pared to our model is presented. The comparison is made with a calorically perfect gas for goal to give a limit of application of this model. The application is for the air.     

Shock wave configurations and reflection hysteresis outside a planar Laval nozzle

When the pressure ratio increases from the perfectly expanded condition to the third limited condition in which a normal shock is located on the exit plane, shock wave configurations outside the nozzle can be further assorted as no shock wave on the perfectly expanded condition, weak oblique shock reflection in the regular reflection(RR) pressure ratio condition, shock reflection hysteresis in the dual-solution domain of pressure ratio condition, Mach disk configurations in the Mach reflection(MR) pressure ratio condition, the strong oblique shock wave configurations in the corresponding condition, and a normal shock forms on the exit plane in the third limited condition. Every critical pressure ratio, especially under regular reflection and Mach reflection pressure ratio conditions, is deduced in the paper according to shock wave reflection theory. A hysteresis phenomenon is also theoretically possible in the dual-solution domain. For a planar Laval nozzle with the cross-section area ratio being 5, different critical pressure ratios are counted in these conditions, and numerical simulations are made to demonstrate these various shock wave configurations outside the nozzle. Theoretical analysis and numerical simulations are made to get a more detailed understanding about the shock wave structures outside a Laval nozzle and the RRMMR transition in the dual-solution domain.     

激光脉冲能量作用下隔离段激波形态及发展控制的数值研究

为了寻求有效的流动控制方法来降低隔离段总压损失，本文基于非定常雷诺平均的Navier-Stokes方程，探究激光脉冲能量沉积对二维及三维隔离段流场马赫反射的控制效果。在来流马赫数分别为1.61和2.51的隔离段流场马赫反射上游，加入脉冲能量沉积，对比激励流场与基础流场，结果表明：能量沉积主要通过高温热核和其诱导的压力波两种方式对马赫反射结构施加作用，显著地影响了马赫反射结构，促使Ma∞ =1.61来流工况下马赫杆的高度减小，马赫反射强度减弱；Ma∞ =2.51来流工况下的马赫反射结构转变为稳定的正规反射，减小了总压损失。控制过程包括：(1)能量沉积产生的局部高温降低当地马赫数，减小马赫反射强度；(2)高温热核诱导的弓形波与马赫反射相互作用，马赫反射结构变形；(3)以反压形式影响马赫反射。     

二维激波斜壁问题的数值研究

1.前言 在数值模拟激波构造时,通常将流体看作理想流体,即对Euler方程用有限差分法求解。有限差分法的优点是通用性强,但将其用于计算激波问题时,会在不连续波面附近产生数值衰减、过冲或欠冲,难以进行精确计算。FCT(Flux-Corrected Transport Method)法是Boris等开发的一种新的计算方法,它能充分发挥有限差分法的长处,可有效地计算激渡问题。但是,能对二维复杂形状的绕流进行数值研究还是在Thompson等