高速飞行器流场和固体结构温度场一体化计算新方法的初步研究

本文探索和研究了一种不需作流／固耦合迭代的一体化计算方法，通过将气体流动和固体结构传热用统一的方程组进行描述，并用统一的方法进行求解，避免了流／固之间的耦合迭代问题。为了验证该数值方法的可靠性，本文对高焓高超声速气流绕二维不锈钢圆管的流动、气动加热以及结构热响应问题进行了计算，结果与实验符合良好。     

高超声速高焓风洞试验技术研究进展

高焓风洞及其试验技术是助力人类进入高超声速飞行时代的基石,近年来取得了长足的进展。本文首先重点介绍了四种典型驱动模式的高焓风洞,即直接加热型高超声速风洞、加热轻气体驱动激波风洞、自由活塞驱动激波风洞和爆轰驱动激波风洞。通过这些代表性风洞的介绍,讨论了相关风洞的理论基础和关键技术及其长处与不足。由于高超声速高焓流动具高温热化学反应特征,风洞试验技术研究还包含着针对高焓特色的测量技术发展。本文介绍了三种主要测量技术:气动热测量技术、气动天平技术和光学测量技术。这些技术是依据常规风洞试验测量需求而研制的,又根据高焓风洞的特点得到了进一步的改进和完善。最后对高超声速高焓风洞试验技术发展做了简单展望。     

二维高超声速进气道优化设计方法研究

对二维高超声速进气道的优化设计方法进行了研究。采用拟Newton法作为优化方法,结合代数法生成的结构化网格以及流体计算软件Fluent,形成对二维高超声速进气道进行二维优化设计的设计软件系统。运用该系统,以总压恢复系数为目标,分别对3道激波外压、1道激波内压和3道激波外压、2道激波内压的二维高超声速进气道在设计点(飞行马赫数6.0,飞行高度25 km)进行了二维优化设计。设计算例表明,运用该系统对二维高超声速进气道进行优化设计是切实可行的。     

脉冲型风洞用加速度计测力天平

在工作时间〈３ｍｓ的脉冲型风洞中的试验模型上选定位置处，安装加速度计来进行力和力矩的测量。对于高焓脉冲型风洞模拟再飞行，研究高超声速真实气体效应是十分必要的。     

高超声速二维进气道参数化设计方法初探

通过高超声速二维进气道流动与几何参数制约关系分析和参数敏感性分析, 确定了能够对二维进气道进行参数化设计的5个基本几何控制参数, 初步建立了高超声速二维进气道的参数化设计方法.结果表明该方法选择的基本参数能够敏感地反映进气道的关键性能和尺寸, 为二维进气道型面优化设计提供了切实可行的途径.      

非结构网格高超声速化学非平衡MHD流场数值模拟

 在非结构网格上对考虑化学非平衡效应的二维高超声速磁流体绕钝头体流动进行了数值模拟。控制方程由二维理想磁流体动力学（MHD）方程和组元连续方程两部分组成,化学动力学模型为5组元17反应模型。MHD方程空间离散采用AUSM格式,时间推进采用显式5步龙格-库塔格式,并通过弱耦合的方式与化学反应控制方程结合在一起。计算模型为二维钝头体,外加磁场为偶极子场,磁场源位于钝头体内部。在高超声速来流条件下,对有、无磁场干扰,是否考虑化学反应下的4种工况进行了数值计算,得到了满意的结果,并与有限的参考文献进行了对比。结果表明本文发展的方法能准确地模拟考虑化学非平衡效应的高超声速MHD流场。     

高超声速飞行器表面气动热和粘性摩擦力计算

本文给出了高超声速飞行器表面摩阻和传热系数（斯坦顿数）的计算结果，采用两种方法平面切面法亦即二维边界层近似法和工程方法计算了飞行器高超声速绕流的粘性效应，并对两种方法的计算结果作了仔细的比较，由文可见，对于在稠密大气层内，沿轨道运行头速度恒定的高超声速有翼飞行器，能够用本文所采用的两种方法计算其表面摩阻和热截荷，此二法可成功地应用于绕复杂形状物体的流动参数计算。     

高超声速二维前体进气道一体化优化设计研究

在飞行器前体进气道的一体化优化设计中,最大总压恢复系数是一个必须考虑的参数.本文从二维高超声速进气道的最大总压恢复系数入手,通过理论分析给出了高超声速飞行器从2波系到6波系的二维高超声速飞行器前体进气道的一体化优化设计计算模型.采用拉格朗日乘子法和序列二次规划法(SQP)分别计算了进气道内一道内激波和两道内激波时的情况,给出了进气道的最大总压恢复系数、进气道内马赫数、激波偏转角和激波强度随来流马赫数的变化关系.比较两种方法的计算结果可知采用的计算方法是合理的.     

热防护材料表面催化特性研究进展

随着高超声速飞行器的发展,高焓离解环境下热防护材料所承受的气动热载荷在很大程度上受到材料表面催化特性的影响。根据高焓服役环境特征和热防护材料表面催化特性的发展现状,重点综述了材料表面催化反应机理和不同尺度的催化模型,分析、比较了催化特性地面测试与评价方法以及典型热防护材料表面催化特性的影响因素,简要总结了国内现阶段相关催化特性研究的初步成果,并在此基础之上提出了催化特性测试与表征方法的不足和后续研究的重点方向,为有效改进热防护材料表面催化特性试验测试技术、准确预测高超声速飞行器气动热环境,从而实现热防护系统的精细化设计提供指导。     

高超声速进气道内激波－边界层干扰研究

为了研究高超声速进气道内激波干扰和流场结构，对一个二维进气道模型在中国空气动力研究与发展中心超高速所风洞流场中进行了实验（Ｍ＿∞＝５．０，Ｒｅ＿∞＝７．５×１０￣６ｍ￣（－１））。采用纹影方法，结合压力测量对进气道内流结构进行诊断，同时用Ｙｅｅ的ＴＶＤ有限差分格式通过求解二维Ｎ─Ｓ方程对相应实验状态下的进气道内流场进行了数值模拟。风洞实验与数值模拟取得了较好的一致。进一步的分析还表明高超声速进气道内的激波─边界层干扰对进气道性能有很大的影响。     

机载高超声速飞行器中的轴对称旋成体气动布局研究综述

气动布局设计是机载高超声速飞行器总体设计的必要内容之一，轴对称旋成体布局作为一种机载飞行器应用的主流布局形式之一，有着极为重要的研究价值。本文从总体和气动的视角概述了三款使用轴对称旋成体布局的机载高超声速飞行器。分析了采用此种布局的飞行器在研发过程中可能遇到的难题和阻碍，并站在工程应用的角度给出了解决这些难题和阻碍的手段。最后，展望了轴对称旋成体布局的机载高超声速飞行器在未来的发展趋势，为国内机载高超声速飞行器的研制工作提供借鉴与参考。     

再入飞行器高超声速绕流的一步和二步有限元计算

本文针对再入飞行器的空气动力问题，采用一步和二步有限元格式求解可缩守恒型Ｅｕｌｅｒ方程，并结合不同的人工粘性模型来捕捉激波，给出了高超声速二维钝头绕流的结果。     

一种前体加宽型高超声速进气道试验方案研究

 根据矩形截面高超声速进气道前体的流动特征,对一种前体加宽型高超声速进气道试验方案开展了数值仿真及高焓风洞试验研究。首先,对不同前体宽度的高超声速进气道开展了三维数值仿真研究,结果显示:随着前体宽度的增加,进气道的流量系数和静压比逐渐增加,而总压恢复系数和隔离段出口马赫数逐渐减小,表现为先急后缓,且当来流马赫数和来流攻角变化时依旧保持上述变化规律。其次,对前体加宽型高超声速进气道试验方案开展了高焓风洞试验研究,结果表明:加宽前体可有效地提高进气道的流量系数,较为真实地反映此类进气道的流动特征,试验结果与数值仿真结果吻合较好。考虑到进气道性能参数随前体宽度变化规律表现为先急后缓,建议在试验条件下前体宽度比取0.5~0.8之间较为适宜。     

抽吸对高超声速进气道起动能力的影响

对在不同抽吸开孔率下，某典型高超声速二元进气道二维流场进行了数值模拟，给出了高超声速进气道性能参数随抽吸开孔率的变化规律，研究了抽吸对高超声速进气道起动和再起动能力的影响，发现抽吸可以有效地降低进气道的起动马赫数，改善进气道的流动性能，提高进气道的总压恢复系数，但降低了压比，且开孔率越大，上述变化越明显；同时还发现抽吸能够减小高超声速进气道的迟滞回路曲线，大大降低进气道再起动马赫数，改善进气道再起动过程中的超压、超温问题。     

二维过渡区喷流干扰流场的DSMC/EPS仿真

应用DSMC／EPS混合算法，数值模拟过渡区有RCS横向喷流干扰的二维有限平板高超声速流场，分析了流场结构、分离形态及物面气动系数分布等特性。结果表明，不同：Knudsen数下，喷流干扰流场存在差异，过渡区中的稀薄气体效应得以体现，证明了DSMC／EPS混合算法是研究稀薄，连续混合区域高超声速流动的有效方法。     

攻角引起的高超声速进气道不起动/再起动特性分析

起动/不起动是高超声速进气道的重要流动现象,其影响进气道的工作范围和再起动能力.首先对典型的高超声速进气道二维流场进行了数值模拟,对攻角变化引起的高超声速进气道不起动/再起动过程进行了研究.从流动稳定性的角度阐述了高超声速进气道不起动/再起动特性形成的原因,分析了高超声速进气道不起动/再起动过程中进气道性能参数随来流攻角的变化规律,最后对进气道的再起动条件进行了讨论.      

轻质防热材料高焓烧蚀试验

为了得到不同轻质防热材料在高焓条件下的烧蚀数据,评估其在高焓条件下的烧蚀性能,以满足

未来高超声速飞行器再入的高焓高热流低压力的热环境,采用高焓加热器对多种不同密度的轻质防热材料进

行烧蚀考核试验。通过对试验数据和模型内部烧蚀形态的描述,给出轻质防热材料在高焓低压热环境中的烧

蚀特性。最后对比中焓条件下试验数据,详细分析焓值对轻质防热材料烧蚀性能的影响。结果显示,高焓加热

器可以产生稳定均匀的高焓低压流场,轻质防热材料在高焓条件下的隔热性能和烧蚀性能有所提高。

     

高超声速钝锥体等离子体流场数值模拟

以小钝锥体为对象建立二维几何模型,利用COMSOL Multiphysics软件对等离子体流场控制方程组进行求解,对高超声速气流流过模型所产生的等离子体流场进行数值模拟.仿真得到了在模型头部激波、尾部膨胀波和尾后激波的共同作用下,考虑烧蚀反应时流场的速度、温度、压强和等离子体电子数密度分布,重点分析了钝锥体模型等离子体包覆层和尾后电子分布的特征和成因.可以为高超声速飞行器的探测和控制提供重要的借鉴和参考.     

高超声速飞行器多层复杂热防护结构气-固耦合快速热分析方法

为了实现高超声速飞行器多种复杂结构热防护系统的气-固耦合快速热分析,采用热网络法建立非稳态等效一维传热模型;对于具有弧度的热防护结构,提出了驻点和翼前缘热阻等效计算方法,并给出了修正计算公式;结合气动热环境工程算法,实现了对任意多层复杂防热结构外部气动加热与内部结构传热的快速耦合分析。分别对钝锥气动加热和高超声速二维圆管气-固耦合传热问题进行了模拟,得到了与实验符合较好的结果,且计算效率很高;并对Micro-X验证机的全过程进行了耦合热分析,结果表明多层防热结构具有很好的防热效果,显著降低了结构内部温度。和传统耦合算法相比,此算法可快速有效地分析模拟气-固耦合问题,满足高超声速飞行器热防护系统初始设计阶段的使用要求。     

高超声速二维钝楔边界层参数分析

为了指导二元高超声速进气道型面设计,基于两类高超声速二维钝楔外形,采用高精度CFD方法计算了四种典型工况下二维钝楔边界层参数,分析了前缘半径、壁面温度、压力梯度对边界层参数的影响,得出了边界层位移厚度、边界层总压恢复及壁面压力梯度沿流向的变化规律。研究表明,前缘半径及壁面温度对边界层参数影响较大,在两者一定的情况下,逆压梯度使边界层位移厚度增速放缓,顺压梯度会使边界层位移厚度快速增长。