SST二方程湍流模型在高超声速绕流中的可压缩修正

为模拟高速可压缩湍流问题,对剪应力输运（SST）湍流模型进行了可压缩修正。数值格式采用改进的总变差减小（TVD）格式,并对湍流模型的负值强制项进行了隠式处理。在此基础上计算了绕平板以及基本无分离和具有分离流动结构的压缩拐角的高超声速流动。计算结果和实验数据及半经验公式的对比表明：SST湍流模型的可压缩影响项为密度加权脉动速度的平均与压力梯度的标量乘积。经可压缩修正后的SST湍流模型与原模型及其它可压缩修正模型相比,所计算的壁面压力、摩擦阻力和壁面热流分布具有更高的精度。     

高超声速流动转捩的数值研究

基于线性稳定性的结果，以类似于处理湍流脉动的方式来模化流场脉动，用以研究高超声速的流动转捩，包括转捩起始位置及转捩区长度．研究中采用Faver平均Navier—Stokes方程k-ε湍流模型，分别以Roe二阶流通昔差分分裂格式和Chakravarthy三阶迎风TVD格式进行离散，数值模拟了椭圆锥的高超声速绕流流场。分析比较了不同的湍流转捩机制，并研究了雷诺数的影响规律。结果表明：Bypass转捩机制是传统的高湍流度风洞中模型流动转捩的主控因素。     

场协同原理在高超声速化学非平衡流动中的推广

应用理论分析与数值模拟方法,将对流传热的场协同原理从不可压缩流动推广至高超声速化学非平衡流动中。结果表明,高超声速化学非平衡层流与湍流的热流密度取决于流动的当地单位体积的动量与单位质量总焓梯度的协同。用当地单位体积的动量与单位质量总焓梯度的协同研究高超声速化学非平衡流动的壁面传热问题,对层流流动下的对流传热,不但计及了高超声速化学非平衡流的密度变化对热流密度的影响,而且包括了静焓梯度、压力梯度、边界层内的分子黏性剪切效应对热流密度的作用;对湍流问题,除了上述层流流动各项对热流密度的影响外,还计及了雷诺剪切应力对热流密度的作用。考虑到高超声速化学非平衡流静焓的定义,高超声速化学非平衡层流及湍流的场协同同时计及所有组分的平动能、转动能、振动能及电子能等梯度的贡献。     

解析壁面函数的可压缩效应修正研究

基于适用于不可压缩流动的解析壁面函数,针对可压缩湍流边界层特征,考虑壁面网格内对流项变化和能量方程中黏性耗散项的影响,提出一种适用于可压缩流动的解析壁面函数。基于二维超声速和高超声速激波湍流边界层干扰流动,完成了粗网格高雷诺数k-ε模型加标准壁面函数、原始解析壁面函数、可压缩修正解析壁面函数和密网格低雷诺数Lauder-Sharma k-ε模型的对比计算。结果表明:四种湍流效应模拟策略都可以准确预测壁面压力和摩擦系数,而本文发展的考虑对流项分布和黏性耗散项影响的解析壁面函数不仅消除了原始解析壁面函数的非物理振荡,而且大幅提升了壁面函数壁面热流的预测精度,与密网格解最大差异不超过40%,预测结果接近于密网格低雷诺数模型结果,而标准壁面函数和原始解析壁面函数预测的壁面热流符号相反,且数值最大差异达500%。对于Ma5斜激波边界层干扰算例,本文构造的壁面函数计算时间仅为低雷诺数模型的5%左右,相较于其它壁面模型,计算时间仅增加了1%。     

可压缩性修正湍流模型的高超声速飞行器流场模拟研究

采用经可压缩修正后的标准k-ε湍流模型对一类高超声速飞行器模型的气动特性进行了研究。计算中主要考虑了马赫数和飞行攻角的影响。计算结果表明,通过可压缩性修正,标准k-ε湍流模型能准确捕捉激波结构和复杂的压力变化规律;在激波系和预压缩面间构成的流动域内形成了高压均匀流动,实现了飞行器设计目标;在激波结构和激波发展趋势方面,计算结果和实验数据符合得很好,而两者在前体预压缩面上的压比值方面略有差异;经可压缩性修正后湍流模型的计算结果要明显优于原始湍流模型,可作为高超声速气动计算的有效方法。     

表面热膜在高超声速边界层中的应用

本文针对标准10°圆锥在不同攻角下边界层的转捩和流动分离现象进行了试验研究.在高超声速情况下,应用表面热膜试验技术测得了10°圆锥在不同攻角下的壁面摩擦应力和动态信号数据.试验研究结果表明表面热膜技术可以成功地应用到高超声速的边界层研究中.所得到的数据有助于正确理解高超声速的边界层的特性.特别是驻点线上,边界层的发展有其特殊的规律.     

高超声速球锥组合体流场数值分析

用数值模拟法研究了高超声速球锥组合体的层流流场特性与热行为,给出了流场计算方法与格式。研究结果表明：球锥组合体压缩拐角在高超声速下出现流动分离,其流动特性受壁面温度的影响极大;提高壁面温度使压缩拐点处分离点位置前移,再附点位置后移,涡心位置提高,分离范围扩大,同时降低球锥组合体热流的分布,球锥组合体头部热流明显减小。     

壁面温度对高超声速进气道不起动/再起动特性的影响

分析了高超声速进气道不起动/再起动特性,并对不同壁温下的高超声速二元进气道内流场进行了数值模拟,给出了不同壁温下的进气道不起动/再起动特性,以及进气道不起动马赫教和再起动马赫数随壁面温度的变化规律,最后对壁面冷却改善进气道不起动/再起动特性的内在物理机制进行了讨论.结果表明,采用壁面冷却能提高进气道的流量系数和总压恢复系数,有效改善进气道不起动/再起动特性,拓宽进气道的工作范围.     

一种改进的跨声速旋成体壁面脉动压力经验预测公式

使用大涡模拟（LES）方法对典型整流罩旋成体结构进行非定常数值模拟研究,结果表明引起壁面压力脉动的流场结构随时间和空间变化,不同的流场结构之间相互干扰。同时研究发现,旋成体折角膨胀会造成流动在较短的距离内迅速加减速,同样引起壁面压力脉动。基于上述流动现象,重新划分压力脉动产生区域,通过引入空间修正项,提出一套改进的跨声速旋成体壁面脉动压力经验公式。算例表明,该方法能够显著提高旋成体在跨声速条件下的脉动压力分布的预测精度。     

用空间推进算法模拟高超声速进气道流场

在有限体积法框架下，采用空间推进算法SSPNS（Single-Sweep Parabolized Navier-Stokes Algorithm）求解抛物化NS方程（即PNS方程），在流向采用LU—SGS隐式积分，而横向无粘和粘性通量则分别采用AUSM系列格式和中心格式计算。用该方法对1个二维高超声速进气道和2个三维高超声速进气道流场进行了数值模拟，得到的流场波系结构、壁面压力及传热系数分布与文献中相关数值解和实验数据基本一致，表明SSPNS法能够准确地模拟超燃冲发动机进气道内的高超声速流动。对比研究表明，SSPNS法与求解FNS（Full Navier＼lStokes Equations）方程的传统时间迭代法相比，二者计算精度相当，而SSPNS计算速度快1～2个量级，存储量至少低1个量级。本文的研究为CFD在超燃冲压发动机部件及一体化优化设计中的集成，以及大型高超声速工程流动的高效计算，打下了良好的基础。     

温敏漆技术及其在边界层转捩测量中的应用

A temperature sensitive paint (TSP) technique is developed for the request of boundary layer transition measurement, and a test of hypersonic boundary layer measurement of a flat plate is done in CARDC 0.6m shock tunnel. By use of the TSP technique, the measurement of the hypersonic boundary layer transition of slab has been done in the shock tunnel. The test nominal Mach numbers are 8 and 10, the unit Reynolds numbers are 2.45×10 7/m and 4.48× 10 6/m respectively, and the yaw angle is 20°. The data of heat transfer and transition position obtained by the TSP and measurement results of the thin film heat transfer sensor match well. The results illustrate that the TSP technique has the ability to measure the hypersonic boundary layer transition of simple model qualitatively and quantitatively in shock tunnel.     

飞行高度对高超声速钝锥边界层稳定性及转捩的影响

研究了飞行高度对高超声速钝锥边界层稳定性及转捩的影响。通过求解三维可压缩Navier-Stokes方程计算了来流Ma=6,半锥角为7°的钝锥在飞行高度20~40 km条件下的基本流场,利用线性稳定性理论（LST）研究了飞行高度对钝锥边界层流动稳定性的影响,最后采用e N方法进行了转捩预测。研究发现,随着飞行高度的增加,流向不稳定N s值和横流不稳定N cf 值均减小,由横流不稳定性引起的圆锥表面大部分区域转捩逐渐转变为流向扰动引起迎风面转捩横流扰动引起背风面转捩,继而横流扰动消失,流向不稳定波引起迎风面转捩。     

火星稀薄大气参数对进入器气动特性的影响

针对火星稀薄大气环境的不确定性对进入器气动特性的影响问题,先以海盗号火星进入器的飞行试验数据对发展的三维并行直接模拟蒙特卡罗(DSMC)仿真软件进行了算例校验,再以火星科学实验室外形为例,计算气体组分、密度、温度及速度等来流参数的不确定性对进入器气动特性的影响偏差,定性定量给出火星高空稀薄环境下大气不确定性所带来的气动力特性规律。研究结果表明,通过与海盗号飞行实验数据的对比校验了所建立方法的正确性与可靠性;CO2大气环境对进入器气动特性的影响较大,利用空气稀薄环境中的计算及实验结果亦需进行CO2效应修正,这一点与连续流区的结论一致;来流密度及速度的不确定性对气动力、力矩特性均有影响,而来流温度影响的最大偏差小于0.5%;纵向压心对来流密度、温度及速度的扰动均不敏感。     

带轴对称台阶的圆锥高超声速边界层转捩试验

在Ma 6风洞内,通过高频脉动压力测试技术和基于纳米粒子示踪的平面激光散射(NPLS)技术,分别对带前向、后向轴对称台阶的圆锥高超声速边界层转捩进行了试验研究。采用功率谱密度分析和互相关计算等方法对脉动压力数据进行分析,得到了边界层中扰动波的发展规律,定量分析了第二模态波的相关参数。结果显示：两种模型中第二模态波在沿流向向下游发展的过程中,其幅值均先增大再衰减、特征频率均逐渐减小;特征频率和传播速度整体上均随雷诺数的增大而增加(后台阶模型中特征频率由100 kHz增至196 kHz,前台阶中则由 97 kHz 增至174 kHz)、波长变化规律则与之相反(后台阶中由6.35 mm降至4.54 mm,前台阶由7.35 mm降至 4.66 mm );后台阶模型中第二模态波初次出现位置比前台阶中更靠近上游,边界层转捩位置较前台阶前移。将NPLS结果与高频脉动压力测试结果进行对比,两者吻合较好。     

Recent Advances in the Theoretical and Applied Study on Compressible Turbulent Flow over Aerospace Vehicles

This paper focused on the fundamental and applied research of turbulent flows encountered in the hypersonic flight of aerospace vehicles,which take place in the boundary layer and mixing layer.As to the plate boundary layer,LES approach has been used to simulate the flows over compression corners and incident shock waves,revealing that turbulent flows would significantly inhibit the boundary layer separation caused by shock wave-boundary layer interaction(SWBLI).The boundary layer transition over a circular cone has been analyzed through stability analysis and wind-tunnel test,by which the angle-of-attack effect in case of small angle of attack has been studied.Non-linear evolution process and secondary instability structure in the supersonic mixing layer(Mc=0.5) were initially figured out through the study of mixing layer,and knowledge of the flow control mechanism of the boundary layer and mixing enhancement mechanism of the mixing layer has been obtained through this research.Artificial boundary-layer transition technique based on subharmonic resonance has been proposed and applied to the flow control in a scramjet inlet,inhibiting the flow separation of the boundary layer while improving the inlet performance.To guarantee the mixing of kerosene and supersonic airflow in the scramjet combustor,the mixing enhancement method based on subharmonic resonance has been adopted and a concept of combustor with smooth wall and low internal drag has been proposed for ignition and stable combustion.Finally,future turbulence research and technological development of aerospace vehicles is predicted.     

影响高超声速进气道起动能力的因素分析

对一系列不同收缩比、不同波系配置的内压缩通道二维流场进行了数值模拟。研究了面积收缩比、飞行高度和来流攻角对高超声速进气道起动性能的影响，提出了进口起动马赫数和来流起动马赫数的概念。研究表明，当进气道收缩比增大时，进气道的进口起动马赫数增大；来流起动马赫数由外压波系强度和进口起动马赫数决定，所以来流攻角变化改变外压波系强度，从而改变来流起动马赫数；随着飞行高度的增加，来流起动马赫数和进口起动马赫数增大，造成这一变化的原因是飞行高度不同，来流雷诺数不同，造成收缩段进口截面附面层厚度不同。     

An Overview of the Advanced Nonintrusive Measurement Techniques in Hypersonic Flow Field

Hypersonic flow-field measurement techniques have been studied for about 50 years. Despite truly remarkable progress with a probe or other device to measure the temperature, pressure or velocity, there are still serious problems for these "intrusive" techniques. The intrusive measurement techniques introduce unexpected shock waves or flow-field structures, even make the boundary layer transition earlier and show a converse result. In recent years, nonintrusive diagnostics have been in urgent demand to give a more accurate and comprehensive flow-field for hypersonic testing. In this paper, an overview of some advanced nonintrusive measurement techniques such as embedded thermocouples for heat flux measurement, Pressure Sensitive Paint(PSP), Particle Image Velocimetry(PIV), infrared thermographs, and focusing Schlieren system are introduced. All of these techniques are nonintrusive and provide measurement of various parameters such as temperature, static pressure, dynamic pressure, flow velocity and visualization of flow structure, which gives us an exact and direct understanding of the hypersonic flow.