轴对称高超音速绕流平头物体的一个解析解

根据方法,使用级数展开和附面层方法,得到了轴对称高超音速绕流平头物体的一个解析解。方法是直接的,即由给定物体形状可求出表面压力分布和激波形状。对平头物体在M_∞=5.8时所得结果和实验及其他理论结果进行了比较,发现符合得很好。本文所提供的方法也说明了对于高超音速钝体绕流级数求介是可能的。     

具有角点的高超音速轴对称钝体头部绕流问题的一种简易解法

钝体头部与后体相接时,往往要出现角点,如果头部的钝度足够大,则在轴对称绕流情况下,音速点即在此角点处。目前求解此种音速点在角点处的钝体头部绕流的直接问题,只有积分关系式法才较精确,但该法须对沿激波层积分得的近似常微分方程组进行数值解,而且所给的二点边界条件中的一点,须按另一点的边界件条用逐步逼近法确定得,整个求解过程很繁琐且费时,而且在角点隣域进行数值积分时困难很大,见文献[7,8]。 鉴于此种情况,本文提出一种简易而又能具有数值解法精确度的实用计算方法,它系以积分关系式法的一级近似常微分方程组为基础,将头部激波用多项式来逼近,利用通过激波的气体貭量守恒关系式,激波的几何关系式以及物面驻点与音速点处的己知条件,直接确定得这种有角点钝体在高超音速轴对称绕流情况下,头部脱体激波的位置,形状以及头部上的压力、速度与速度梯度的分布。在求解过程中全部采用简单的数学分析与代数运算方法,方便且省时。 本文方法适用于任意形状的头部。文中对平头钝体进行了详细计算,从该算例中可见按本文方法所计算得的激波位置系位于一,二级近似的数值解之间,而所得的压力分布则要较一、二级近似的数值解为佳而更接近于实验值。     

高超音速钝体小攻角绕流的直接问题

本文建立了高超音速钝体小攻角的绕流积分关系式法的一级近似常微分方程组。确定了钝体对称轴上(s=0)物面与激波处的所有流动参数,使该方程组的边界条件成为一点边值问题。因此对它的求解,要较相应另攻角轴对称绕流的二点边值问题简便。文中还给出了该方程组的一种近似简便解法。     

大迎角细长体头涡结构演变的非定常现象研究

细长旋成体绕流中位于尖部附近的一对头涡在迎角增至一定程度时,会表现出很强的非定常特征,而此时后体上为类卡门涡脱落区域。为了寻找这对头涡的非定常特征随迎角变化的规律,在两个风洞中分别用两个细长体模型进行测压和流动显示实验,得到了在很大迎角下旋成体头涡的脉动频率随迎角基本呈线性变化的规律,而后体上的卡门涡脱落频率则与迎角的正弦值成正比。     

非结构网格的高超声速粘性MHD流场数值模拟

应用数值方法在非结构网格上对磁场干扰下的二维高超声速钝头体粘性绕流进行了数值模拟。控制方程为N-S方程耦合Maxwell方程的粘性MHD方程组,空间离散采用有限体积方法,对流项用AUSM格式计算,粘性项用中心格式求解,时间推进用显式5步Runge-Kutta格式,引用双曲型散度清除技术加强▽.B=0的条件。计算模型为二维钝头体,在高超声速来流条件下,分别对有、无均匀磁场干扰下的流动进行了数值模拟。计算结果表明,在均匀磁场干扰下,激波脱体距离显著增加,物体表面压力急剧下降。对比表明文中发展的计算方法可以准确地进行二维粘性MHD流场的数值模拟。     

绕细长旋成体非对称涡非定常性的实验研究

详细地给出了尖锥头和椭球头细长旋成体大迎角绕流非对称侧向力的时均值和脉动值的实验结果,特别是检测了侧向力低频大振幅分量的脉动特性。实验结果表明,在迎角0°～40°范围内时均升力系数和阻力系数实验结果和由横流理论预测的结果基本一致,时均侧力系数存在的迎角范围及其最大值尖锥头明显大于椭球头旋成体。由侧力瞬时值的时间过程表明,细长体大迎角绕流非对称背涡具有明显的非定常特征(即使在中等迎角30°～40°情况下,绕流就表现为非定常的),反映在侧力系数过程线上是一个非周期的随机过程,由不同频率和振幅的分量组成。其中,低频大振幅分量由分离涡核的振动引起,中等频率分量由类似于Karman涡的脱落引起,高频小振幅分量主要由分离剪切层中的小尺度湍涡(eddies)和来流湍流度引起。实验还发现,虽然随迎角的增加,低频分量的振幅不断增大,但主频基本保持不变,对于尖锥体约1.0Hz,对于椭球体约2.0Hz。     

高超声速化学非平衡绕流分布式并行算法

讨论了非结构网格高超声速化学非平衡绕流流场的分布式并行数值模拟方法。控制方程采用带化学反应源项的N-S方程,数值离散格式采用Jameson有限体积法。化学反应模型为五组元五反应模型,没有考虑电离效应,对化学反应源项进行了点隐式处理,温度场的计算采用牛顿迭代法。通过调用METIS库函数将整体计算区域进行分裂,使用PVM并行机制在PCs-Cluster机群上对二维钝头体高超声速化学非平衡绕流进行了分布式并行计算,得到了结果,并对算法的加速特性进行了对比分析。     

细长旋成体大迎角绕流中的头涡与卡门涡的脉动压力特性

在迎角很大时细长旋成体背部流场沿轴向通常有两个截然不同的区域,其中卡门涡脱落区域位于后体,而头涡区域靠近旋成体头部。为了寻求两者的区别与联系,在两个风洞中分别用两个细长体模型进行测压和流动显示实验,得到了沿旋成体轴向不同区域的压力脉动特征,即头涡的脉动幅度相对卡门涡较大,而频谱峰频率则较低,而且随着迎角的进一步增大,头涡区会完全消失。     

基于等离子体激励的圆柱绕流控制实验研究

为验证低雷诺数条件下,采用大气压等离子体流动控制技术进行圆柱绕流控制的有效性,设计了圆柱绕流实验系统,并开展了圆柱绕流实验研究.实验研究表明,在雷诺数为1.35×104和1.90×104的条件下,等离子体激励器产生的流动扰动,能够有效控制圆柱体绕流的流动分离,并显著改善分离流场,增涡、减涡效果明显.实验结果表明,大气压等离子体流动控制技术是钝体绕流流动特性控制的一种有效手段.     

亚临界雷诺数细长体绕流流态随迎角的变化和分区

通过在北航1.2m水洞中利用染色液显示和激光片光技术的显示实验以及在西工大NF-3风洞中进行的表面测压实验,对拱形头部细长旋成体在无侧滑条件下的流场结构和流动特性随着迎角的变化进行了实验研究。在流动显示和测压结果分析的基础上,对迎角从0°到90°范围内绕细长体的流动进行了流态分区,即细长体绕流经历6种流态:极小迎角下(0°≤α≤3°)物面附着绕流流态、小迎角下(3°<α≤25°)背部对称旋涡流态、中等迎角下(25°<α≤40°)背部2个非对称旋涡流态、大迎角下(40°<α≤60°)的非对称多涡系复杂流态、特大迎角下(60°<α<75°)背部多个旋涡依次破裂的流态、极大迎角下(75°≤α≤90°)背部类卡门涡街(或随机尾迹)流态。阐述了不同区域的流动特性和气动特性。     

后掠翼对细长体头部侧向力特性的影响

通过在细长体顶点处设置扰动块的方式使细长体的绕流具有确定性,在此基础上研究了机翼对细长体头部侧向力特性的影响.通过实验发现,测压截面越靠近机翼顶点,受机翼的影响越大.在50°迎角以下,后掠翼对细长体头部侧向力特性的影响很小.在60°迎角时,后掠翼对细长体头部的侧向力特性影响较大,此时单独细长体的侧向力特性实验结果已不能直接应用于后掠翼身组合体了.     

超声速化学反应流场迎风格式数值模拟及并行计算

基于有限体积迎风格式对超声速燃烧流场进行了的数值模拟.由于超声速燃烧流场绕流的复杂性,要求对多组分Euler/N-S方程求解的数值模拟方法应具有较高的计算精度及效率.本文引用辅助点方法建立了具有空间二阶精度的van Leer迎风矢通量分裂格式,并应用于超声速燃烧流场绕流的数值模拟.化学反应为氢气/空气十反应模型,采用考虑了化学反应特征时间的当地时间步长显式Runge-Kutta时间推进格式.对钝头体模型爆轰现象、后向台阶氢气喷射及二维内外流超声速燃烧流场模型进行了区域分裂技术的并行计算.计算结果与参考文献作了对比,得到了满意的结果.     

用 Euler 方程计算某些特殊的二维分离流动

采用非定常Ｅｕｌｅｒ方程、总体时间步长、隐式时间推进，计算了几种特殊类型钝体的二维有分离绕流。一类是光滑的圆柱体，在跨音速时计算出因激波诱导分离而周期性地脱落在尾迹上的非对称涡排。另一类是带尖角的物体，如三角形柱体，计算出从尖角处脱落在尾迹上的分离旋涡，形成卡门涡街。对这两类物体，计算的平均阻力系数，分离涡脱落的Ｓｔｒｏｕｈａｌ数以及流态都与实验接近。结果表明，对于这类绕流问题，用非定常Ｅｕｌｅｒ方程计算，具有一定工程实用意义。     

基于彩色纹影的Edney Ⅳ型激波相互作用研究

发展了一种高分辨率和灵敏度的彩色纹影技术,研究高超声速条件下Edney Ⅳ型激波相互作用.解决了制作彩色滤光片的关键技术,采用特制的彩色滤光片代替了传统纹影系统中的刀口,高速彩色相机曝光时间60μs,帧频6242fps.将光源限制在0.5mm×20mm的狭缝内以提高系统灵敏度.实验在马赫数为5的激波风洞内进行,Edney Ⅳ型激波相互作用由15°斜劈和20mm直径钝头体产生,来流静压和静温分别为1800Pa和100K.数值模拟采用迎风格式求解三维RANS方程.实验得到了清晰的彩色纹影照片,细致地呈现了Edney Ⅳ型激波相互作用的波系结构和马赫数为1.2的超声速射流.数值计算与实验结果很好地吻合,共同揭示了Edney Ⅳ型激波相互作用机制和钝头体表面局部高压区域的形成原因.     

气动补偿空速管的设计、计算和实验

本文叙述了气动补偿空速管的原理和目前常用的前体补偿空速管、后体补偿空速管及加补偿环的空速管的特点,给出了设计气动补偿空速管的步骤,介绍了计算飞机机头前正压场和补偿管静压分布的三种方法,即细长旋成体线化理论、亚音速有限基本解法和小扰动势流差分法的特点。最后介绍了与空速管实验有关的一些问题。     

圆柱体绕流尾迹的PIV测量

PIV是一种先进的流场定量测量技术,在生产性风洞中的应用前景非常广泛。利用PIV测量技术,采用双CCD摄像机在EL-5低速生产性风洞中对不同的雷诺数Re下圆柱体绕流尾迹进行定量的测量,给出了圆柱体绕流尾迹的瞬时速度场、涡量场和流场的流线图。通过测量发现剪切层的相互作用是圆柱体绕流尾迹区旋涡形成和脱落的重要因素,并直接验证了Gerrard的绕流尾迹理论;在雷诺数Re=104-105范围内,随着雷诺数的增大圆柱绕流近尾迹区旋涡形成区域长度在逐渐缩短。     

壁温比对高速钝锥边界层转捩天地差异的影响研究

首先对比了天上飞行状态与地面风洞状态下钝锥边界层的转捩特性,然后利用基于线性稳定性理论的e^N方法对飞行状态与风洞状态下的钝锥边界层进行了转捩预示,最后研究了壁温比对高速钝锥边界层的稳定性及转捩的影响。研究结果表明,在低壁温比条件下,圆锥迎风中心与侧面的边界层先于两者之间区域转捩,转捩形貌与飞行实验结果相似;在高壁温比条件下,圆锥迎风面区域迟于侧面及背风面区域转捩,转捩形貌与风洞试验结果相似。壁温比是造成高速钝锥边界层转捩天地差异的重要影响因素。     

煤粉锅炉钝体燃烧器的数值计算

本文给出煤粉锅炉钝体燃烧器中回流流动的数值计算结果。为了简化,把直流式煤粉燃烧器中一次风看作为二元紊流自由射流。在研究楔形物体后回流流动中,本文还提出一种处理楔形物体斜壁面的方法。在本计算中,采用控制容积法离散二元椭圆型微分方程,紊流动能k和紊流动能消耗率ε的紊流模型。为了验证计算方法的合理性,本文还用热线风速仪和荧光丝法测定回流区长度,把所得的实验数据与计算值加以比较,结果是满意的。     

计算任意横截面机身超音速绕流的准圆截面近似法

航空上所用的实际机身,如果其横截面偏离圆形不大,本文提出准圆截面近似法,把机身的超音速绕流问题分解为绕当量旋成体的流动和非圆截面、攻角、弯度影响两个部分,给出了机身表面压强分布、法向力和轴向力分布的计算方法,计算结果具有满意的工程准确度。     

跨音速洞壁干扰对翼型试验影响的实验研究

在南航NH-1三音速风洞进行了NACA0012翼型跨音速风洞实验,讨论了洞壁开闭比和模型尺寸对驻室参考点静压、翼型表面压力分布的影响。结果表明,开闭比和模型尺寸对驻室静压有明显的影响,开闭比对翼型表面压力分布有很大影响。在α=0°时,超临界流动条件下,开闭比从6变到0.5,翼型上表面激波位置向后移动范围达20％的弦长,开闭比为4时,翼型接近于无堵塞干扰。当α=1°和M_∞=0.759时。消除洞壁干扰的最佳开闭比为4。