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。     

热与化学耦合非平衡对热流和电子密度的影响

采用单、双温度模型两种粘性激波层方程组对弹头驻点区非平衡流场作了数值模拟。计算结果表明，在算例条件下热非平衡与化学非平衡的耦合效应对壁面热流和电子密度有明显影响。文中给出了完全催化壁和非催化壁两种情况下以及采用不同振动松弛时间公式时上述影响的变化规律。     

来流条件对热流组分扩散项影响效应分析

使用数值模拟的方法研究了高超声速热化学非平衡流动中不同来流条件对热流组分扩散项的影响。以RAM-CII飞行试验外形为例,使用AUSM+-up格式耦合LU-SGS方法求解带化学反应源项的多组分NS方程。得到如下结论:在非平衡热环境数值模拟研究中,完全催化壁时组分扩散项热流所占比率表征了壁面催化效应的强弱;在同一高度下,随着马赫数升高热流组分扩散项比例越来越显著,而马赫数相同时,随着高度增高热流组分扩散项所占比例越来越小,主要原因在于当地化学反应进行程度不同。     

高焓激波风洞喷管流场非平衡特性研究

高焓激波风洞是开展高超声速流动研究的重要地面模拟设备,但其产生的高焓气流在喷管中的膨胀过程是一种典型的热化学非平衡流动,试验段特征参数通过直接实验测量难以完全确定。本文通过求解耦合双温度模型的轴对称Navier-Stokes方程,研究了高焓激波风洞中典型状态下气流的热化学非平衡流动特性,分析了焓值对非平衡特性的影响规律。结果表明,喷管出口自由流均匀区域达到出口截面直径的75%以上,能够为实验提供足够的空间;喷管出口自由流处于热化学非平衡状态,在喷管喉道后约1/5喷管长度处气流即已处于冻结流状态,组分浓度和振动温度随气流流动基本不变;焓值在8.4MJ/kg~19.5MJ/kg之间变化时,非平衡程度随着焓值的增加而增强,但是低焓值时非平衡程度的增强更加剧烈。     

面向飞行试验的多源气动数据智能融合方法

风洞试验和飞行试验是飞行器研制过程中进行气动性能分析与优化设计的重要手段，然而，在高超声速飞行条件下，真实气体效应、黏性干扰效应和尺度效应的复杂变化给气动数据精准预测带来巨大挑战。为了提升天地气动数据一致性，针对某外形飞行试验数据开展了典型对象的天地气动数据融合方法研究。结合数据挖掘的随机森林方法，本文提出了一种面向飞行试验的数据融合框架，通过引入地面风洞试验气动数据，实现了对复杂输入参数的特征分析与特征排序，进一步对不同飞行时刻下飞行试验的气动数据开展了交叉验证。结果表明随机森林的机器学习框架对风洞-飞行试验数据关联具有较好的预测与外推能力，可以有效提升气动数据预测精度，相关研究为复杂环境下气动数据多源融合提供了思路。     

驻点壁面催化速率常数确定的研究

以平衡流动作为热环境估算的依据，提出了用数值求解非平衡Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程和实验测量热流值确定模型表面材料催化速率常数的方法。用５组分１７个化学反应Ｄｕｎｎ－Ｋａｎｇ空气化学模型和轴对称热化学非平衡Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程，对激波管中球头和平头圆柱模型绕流流场进行了数值模拟，给出了驻点热流随催化速率常数变化的分布，并根据激波管实验测量的热流值确定了表面材料Ｐｔ、ＳｉＯ２、Ｎｉ和某种     

高焓流场球头外形气动热试验研究

再入地球大气层时,飞行器的再入速度极高,面临严重的气动加热问题。为了研究高焓流动导致的热化学非平衡现象,在高焓膨胀风洞FD-14X中开展了球头外形的热流测量试验以及CFD仿真模拟。FD-14X为中国空气动力研究与发展中心新建成的高焓膨胀风洞,速度模拟能力达到第二宇宙速度,总温模拟能力超过10 000 K,能够产生总焓70 MJ/kg的试验气体。试验来流总焓16.9～63.5 MJ/kg,球头直径20～50 mm,流场采用自发光拍照,同时CFD仿真采用Park双温非平衡模型计算球头绕流流场。试验与仿真结果表明：来流总焓大于5 MJ/kg时,球头绕流场存在显著的热化学非平衡现象;304钢模型壁面在来流总焓小于20 MJ/kg时表现为非催化壁面特性,在来流总焓大于30 MJ/kg时表现为催化壁面特性;当球头表面镀氧化锆膜、来流总焓49.5 MJ/kg时,球头壁面表现为非催化壁面特性。     

非结构网格热化学非平衡Navier-Stokes方程组求解技术研究

采用非结构混合网格数值求解三维热化学非平衡Navier-Stokes方程组获得高超声速流场各组分气动热力学参数,并计算物面热流值。利用有限速率化学反应模型和二温度气体模型分别描述化学非平衡和热力学非平衡过程,通过Park振动——离解模型刻画化学非平衡和热力学非平衡耦合效应。无黏通量项采用AUSM格式离散;对无黏通量项和源项采用隐式时间推进格式,增强数值求解过程稳定性。数值算例表明,为得到正确的物面热流值,非结构混合网格边界层y+需减小至0.5,且网格增长率不超过1.4;采用元素摩尔数守恒关系式计算化学反应源项,可有效降低数值残差积累对计算小组分气体的不利影响,提高各气体组分计算准确度。     

热化学非平衡来流条件下热化学模型影响研究

为研究热化学非平衡来流条件下热化学模型等计算设定对斜激波压缩流动计算结果的影响,针对尖劈构型和相应的前缘钝化构型的高焓激波风洞实验,采用多种计算设定开展详细的数值模拟研究。计算结果表明,计算采用不同热化学模型,以及来流设定为振动冻结/平衡/非平衡状态,会导致斜激波激波角等参数存在一定差别,其中激波角差别可达约2%。当来流速度一定时,过斜激波后分子内能增量在平动转动能和振动能上的分配方式的差别决定了激波角的差别。前缘钝化情形下,采用不同计算设定所得激波角之间的关系和尖前缘构型的规律一致;但是,采用不同计算设定所得斜激波到壁面距离之间的关系和尖前缘构型的规律有差别,这源于钝化前缘的激波脱体距离的影响。对于自由来流下的斜激波压缩流动问题,若考虑了分子振动能激发但未考虑热力学非平衡(例如热完全气体模型、考虑空气反应的单温度模型等),就斜激波激波角等参数而言,计算误差比量热完全气体模型计算误差更大。     

不同热化学非平衡模型对高超声速喷管流场影响的数值分析

采用轴对称NS方程,数值研究不同热化学非平衡模型对高超声速喷管流场的影响,包括:(1)不同组元数的高温空气模型(5组元、7组元1、1组元)的比较;(2)热力非平衡(双温度)的化学动力过程与热力平衡(单温度)的化学动力过程的比较。计算结果表明,高焓风洞实验条件下喷管流场处于热力和化学都是非平衡的状态。在计算条件下,数值模拟以采用7组元或11组元的热化学非平衡模型为宜。     

气体模型对高超声速再入钝体气动参数计算影响的研究

本文采用完全气体模型、振动激发气体模型、平衡气体模型、一温度非平衡气体模型、两温度非平衡气体模型和三温度非平衡气体模型进行了钝体高超声速绕流流场的数值计算。分析了各种气体模型对激波脱体距离、壁面热流、温度分布和密度分布等的影响。结果表明：采用两温度（或三温度）非平衡气体模型计算的激波脱体距离更接近实验情况；采用平衡气体模型计算的壁面热流量高，一温度非平衡气体模型完全非催化的壁面热流最低，而完全气体模型的壁面热流在两者之间。最后给出了各种气体模型的密度等值线比较图。     

高超声速热化学非平衡钝体绕流数值模拟

对高超声速热化学非平衡钝体绕流进行研究,发展了高温热化学非平衡条件下的高超声速气动热数值模拟方法。采用二阶精度迎风TVD格式的N-S方程有限体积法多块结构网格求解器,考虑了空气5组分及化学非平衡效应的影响,对组分生成源项及振动能源项采用了点隐式的处理,提高了计算效率。对球锥模型和RAM-CII飞行实验等算例进行了数值气动热模拟,分析了不同非平衡模型在热化学非平衡条件下流场的影响。计算结果表明建立的数值模拟方法具有较高的精度。     

离解组分复合对超燃尾喷管性能的影响

采用13组分33步反应的H2/Air化学动力学模型,对超燃冲压发动机尾喷管化学非平衡流动和冻结流动进行数值模拟.计算表明,离解组分的复合现象存在于超燃冲压发动机尾喷管内流动中,并对尾喷管性能产生影响.随飞行马赫数的增加,离解组分复合现象更显著,对尾喷管性能产生的影响也越大.在飞行马赫数为8.0的计算工况下,化学非平衡流动模型计算所得尾喷管性能与冻结流动模型相比高出约2％,该条件下忽略NO2,H202等组分以简化化学反应机理,对尾喷管性能计算结果的影响甚微.     

高超声速喷管非平衡黏性流动的数值研究

分别采用平衡气体模型、化学非平衡气体模型和热化学非平衡气体模型,通过求解轴对称Navier-Stokes方程组,数值模拟了法国Marseille高焓激波风洞锥型喷管(H₀=10.3MJ/kg),分析了热化学非平衡效应对喷管流动的影响,给出了平动温度、振动温度、马赫数和组分质量数在轴对称线上的分布与喷管出口附近的速度和温度沿径向分布等结果。计算结果表明:化学反应速度加快,会导致喷管出口温度增加,振动能的冻结会导致喷管出口温度降低。     

热化学非平衡流动红外辐射计算分析

首先通过求解热化学非平衡N-S方程的数值模拟方法,获得高焓风洞钝锥体模型的绕流及近尾的高温流场参数.然后从辐射传输方程出发,采用带辐射模型,并利用所获得的流场参数,计算分析了高温流场在λ=3μm-6μm红外波段的辐射,计算和测量结果具有较好的一致性.该项研究为今后进一步研究高温非平衡气体辐射特性奠定了基础.     

高超声速圆球模型飞行流场的数值模拟和实验验证

对高超声速圆球模型飞行场进行数值模拟，分别采用空气空气气体模型，平衡气体模型以及热化学非平衡11组元气体模型求解非定常轴对称N－S方程组，使用有限差分时间相关法捕捉激波，得到了定常流场的解，差分方程稳式部分采用了LU－SGS方法以避免矩阵运算，对化学反应和振动能量源项采用预处理矩阵以解决刚性问题，由计算结果处理得到的阴影图和干涉条纹图与再入物理弹道靶实验照片进行了对比分析，验证了实验中圆球飞行流场大部分区域接近于平衡状态。     

壁面辐射平衡DSMC方法及其在双锥构型中应用

临近空间高超声速飞行器在高空长时间飞行,受气流加热影响,飞行器表面温度显著升高,依赖地面试验和传统DSMC仿真预测的热流值明显高于飞行观测值,导致飞行器防热系统的保守设计.本文发展了一种基于壁面辐射平衡的DSMC边界模型,通过热流值反算辐射平衡壁面温度,并以此温度作为下一个时间步DSMC计算的边界条件,迭代更新至给出壁面温度的收敛值.基于该温度边界条件,开发了适用于轴对称构型的DSMC求解器,并以钝锥构型对计算模型和求解器进行了验证.重点针对激波风洞试验条件下的双锥构型,开展数值模拟研究,结果表明:该构型恒温冷壁条件得到的壁面压力分布和热流与风洞试验结果吻合,两种温度条件下的压力峰值差异约为15.4％,但是整体气动力特性差异仅约为0.33％;相对于冷壁,辐射平衡计算得到的前缘处热流峰值降低约50％,再附点处的热流峰值降低约三分之二;两种条件相结合,可以给出壁面热流的预测范围.     

高超声速喷管三维热化学非平衡流场的数值模拟

利用数值求解三维热化学非平衡Navier-Stokes方程的方法和多块网格技术,数值模拟了典型高焓激波风洞锥型喷管的三维非平衡流场,分析了热化学非平衡效应对喷管流动的影响,给出了平动温度、组分N2和O2振动温度、马赫数和组分质量分数在轴对称线上的分布,也给出了喷管出口附近的速度和温度沿径向分布等结果,获得了喷管流场的详细信息,并与已经存在的采用轴对称Navier-Stokes方程计算的结果,进行了比较,二者吻合得很好.计算结果表明:目前的代码是可以模拟多块结构网格下的热化学非平衡流动的.     

高速空气动力学三大手段数据融合研究进展

风洞试验、数值计算和模型飞行试验三大手段的深度融合，是开展新一代高速飞行器研究的必然需求。本文重点介绍了高速风洞试验设备、数值计算软硬件建设和航天模型飞行试验能力建设情况，以及自主研制的表面温度、热流、脉动压力、摩阻等飞行试验测量技术；并根据气动数据融合特点，提出了一种基于气动数据和物理模型相关度的融合准则，发展了基于组合深度神经网络的气动数据融合方法，解决了不同来源数据之间的数据关联问题，大幅提升了融合数据的可信度，在某高速飞行器俯仰力矩系数和头罩典型构型的气动热数据天地关联方面得到成功应用；综合运用三大手段，开展了高速激波-边界层干扰基础流动问题研究，建立了激波-边界层干扰力/热载荷天地相关性经验公式，修正了压力-热流关联关系，并首次证实了分离泡低频振荡现象在真实飞行条件下客观存在。     

高超声速流动多物理效应对美国航天飞机气动力影响研究的回顾

临近空间高超声速流动往往存在真实气体效应、稀薄气体效应和粘性干扰效应等多种复杂的物理、化学和流动现象。围绕高超声速绕流中多物理效应这一主题,对美国航天飞机高超声速气动力研究的工作按飞行前与飞行后两个阶段进行了回顾。在飞行前阶段,主要介绍了气动力外推参数的研究和不确定度研究的内容,确定了以第三粘性系数珔V'∞作为气动力特性外推参数,以及给出了气动力不确定的计算方法;而在飞行后阶段,主要介绍了飞行试验数据与预测数据的对比、纵向配平异常分析和外推方法,给出了初步的由风洞数据外推到飞行数据的外推方法,确认了真实气体效应对航天飞机气动特性影响,但是否对舵面效率产生影响没有达成一致的结论。而后,作者讨论了避免纵向配平异常的可能性、体襟翼效率数值计算与试验的差异、气动力不确定度研究和建立飞行试验/风洞试验/数值计算数据共享机制四个方面的问题。另外,早期的研究文献提到了航天飞机在再入过程中这些效应是同时存在的,在当时的研究条件下难以区分各自对气动力特性的影响,后来的研究文献也没有着力于研究其耦合影响效应对航天飞机气动力特性的影响,这为下一步研究再入飞行器高超声速绕流流动的多物理效应提供了指引。