喷口布局对导弹侧向喷流控制作用的数值模拟

为保持飞行器在稀薄大气中的机动性,通常采用喷流反控制作用(RCS),但在超声速来流中,这会导致飞行器表面出现复杂的喷流干扰流场,对飞行控制造成了巨大影响。为提高对超声速条件下的侧向喷流控制作用的规律性认识,应用数值模拟方法,研究了超声速条件下的无舵光滑弹体和带尾舵的弹-翼组合体上的声速侧向喷流控制问题。开展了关于喷口布局对侧向喷流控制效果影响规律的研究工作,并通过引入法向干扰力沿程增长系数从定量角度加以分析。计算结果表明:在有尾舵的情况下,喷口位置的后移和马赫数的增加能够显著增强侧向喷流控制效果;当喷口位置位于舵面之前时,喷流干扰力放大系数随迎角增大而增大,随来流静压增大而减小;当喷流位置后移至舵面之后时,规律相反;在某些喷口位置和来流条件下,弹-翼组合体的侧向控制效果与无舵光滑弹体相比并不具备优势。     

超声速横向喷流侧向控制的数值模拟

为研究来流攻角和喷流位置对横向喷流侧向控制力的影响,通过数值方法模拟了超声速条件下的横向喷流干扰流场,计算得到的壁面沿程压力分布与实验结果吻合良好.采用喷流力放大因子和实际作用位置表征喷流侧向控制力的实际作用效果,引入法向干扰力沿程增加系数来分析弹体表面的压力特征区域对侧向控制力的影响.计算结果表明:在喷流干扰下,侧向控制力大小不等于喷流设计推力,并带有绕喷流中心位置的低头力矩;低压尾迹区是影响侧向力实际作用效果的决定因素;攻角的增大和喷流位置的后移,分别有助于削弱低压尾迹区的干扰强度和作用范围,从而增强侧向控制力的实际作用效果.      

超声速民机发动机短舱布局对声爆的影响

超声速民机较高的飞行速度导致发动机短舱与机翼机身存在强烈的气动干扰，且高速喷流会改变主流的激波系结构，进而影响声爆强度。以超声速民机为研究对象，对不同短舱布局开展数值模拟研究，揭示发动机短舱位置、数量对近场过压信号特性的影响规律。数值模拟运用有限体积法在直角网格上求解流体控制方程进行，通过伴随自适应网格加密生成高分辨率网格以精确捕捉近场过压信号。结果表明：发动机进气道唇口激波、尾喷口后缘激波及尾喷流与机体机翼引起的激波系存在强烈的相互干扰，一定程度上增加了近场过压幅值，从而增强了声爆强度。短舱沿弦向前移及置于机翼上方可以有效降低声爆强度，沿展向外移通过抑制尾部各激波的合并也可有效降低声爆强度；在相同总推力前提下，相比三发构型，双发构型能有效降低后体激波强度，但较大尺寸的短舱引起较强的进气道唇口激波。综合考虑喷流噪声和气动阻力因素，翼下双发布局对于新一代超声速民机并非最佳选项。     

多翼导弹复杂流场及气动力的数值计算

将改进的Jameson格式应用到多翼导弹的三维流场计算中,并使用分区技术和三维椭圆微分方程数值网格生成技术以精确模拟此复杂构形的复杂流态,计算结果与美国导弹标模的实验吻合很好.一系列攻角下导弹三维流场的数值模拟表明,修正Jameson中心差分格式能够适用于复杂外形、复杂流态、亚/跨/超/高超音速的流场计算,而且精度和分辨率都比较高,结果可信.     

3点逐步r型自适应网格算法

为了根据某个流场参数梯度较合理地分布网格同时又不增加网格点的数量,提出一种基以总变差为基础的r型3点逐步自适应网格算法,通过3点逐步调整网格点的位置以减小网格线的扭曲,生成质量较好的计算网格.以绕二维圆柱和三维双椭球的超声速流动为算例,用Euler方程模拟,以流场的压力总变差来进行自适应,通过分别用所提出的自适应方法生成的自适应网格与用原始网格计算所得的流场结果对比,计算结果表明,用自适应网格计算所得的激波比用初始网格计算所得的激波薄,采用自适应方法所计算出的流场数值解具有更高的分辨率.      

超声速栅格舵/弹身干扰特性数值模拟与试验研究

对于呈十字型布局的栅格舵与弹身组合体来说,在有迎角存在时,位于弹身垂直平面的栅格舵会处于弹体头部分离涡的干扰区,而位于弹身水平面的栅格舵主要受弹体上洗流的影响,2种安装形式的栅格舵的气动特性会有较大差异。为研究弹身对栅格舵气动特性的干扰影响,基于典型栅格舵及栅格舵与弹身组合体布局,利用数值模拟方法对比分析了有无弹身干扰情况下栅格舵的超声速气动特性,分析了弹身对不同安装位置栅格舵的扰流特性、载荷分布,研究了由单独栅格舵气动特性转换到存在弹身干扰时栅格舵气动特性的修正方法。通过风洞验证试验,获取了2种不同安装方式栅格舵试验数据差异,验证了洗流修正方法的可行性,为建立面向工程应用的栅格舵高速风洞试验与数据修正技术提供了数据支撑。      

带喷流的超声速光学头罩流动显示

在马赫数3.8的超声速风洞中,以高时空分辨率的基于纳米示踪的平面激光散射(NPLS,Nano-tracer based Planar Laser Scattering)技术为实验手段,研究了有无喷流的超声速光学头罩流场的精细结构,清晰地再现了流场中的激波、膨胀波、剪切层和湍流边界层等复杂结构.通过分析时间相关的流场NPLS图像,可以发现流场结构随时间的演化特性.结果表明:无喷流情况下光学窗口上方的大部分流场处于层流状态;有喷流情况下剪切层的层流区域较短,在很短的距离内转捩至湍流状态;喷流出口压力高于外界压力情况下剪切层的转捩位置比压力匹配情况下较为靠前,光学窗口上方的涡结构也较为复杂.比较而言,后者对气动光学性能的影响更大.     

超音速流动中侧向喷流干扰特性的数值模拟

通过与实验结果的比较验证Fluent软件可以用于超音速流动中侧向喷流干扰特性数值研究.使用Fluent软件对超音速流动中不同喷流压力和攻角下侧向喷流干扰特性进行的数值研究表明,超音速流动中,随喷流压力和负攻角增大,喷流前的高压区明显增大,喷流的控制效果更好.喷流包裹作用的影响范围在90°弹面内.喷流压力增大,喷流包裹作用加强,影响范围增大.     

矢量喷流对战斗机绕流和气动特性影响的研究

在双三角翼、椭圆机身的冀身融合体气动布局中配置二元矢量喷管,本文对该布局形式的矢量喷流和主流绕流之间的干扰流场及其对机翼气动特性的影响进行了系统的实验研究。结果表明,矢量喷流对主流及其气动特性的干扰效应可以分为三类:矢量喷流对附流的干扰效应仅限于喷口附近,主要表现为引射或阻塞作用;矢量喷流对前缘涡的干扰效应起稳定旋涡的作用,这样对稳定涡系的干扰影响很弱,但对破裂涡绕流的干扰效应较强,且随喷流矢量角的增大而增强。     

超声速横向气流中燃料雾化的数值模拟

对超声速横向气流中燃料雾化过程采用欧拉-拉格朗日方法进行了数值模拟,气相场用欧拉法计算,液相场采用拉格朗日粒子跟踪方法计算,通过方程源项考虑液相对气相的影响.在液相的拉格朗日计算中采用改进的混合雾化模型来研究雾化过程.针对超声速横向气流中雾化的特点,结合雾化机理和实验测量结果,对原有的混合雾化模型进行了改进,并将改进后的计算结果与TAB(Taylor Analogy Breakup)模型和Reitz波模型的计算结果进行了对比.结果表明:改进的混合雾化模型的计算结果与实验测量值符合较好,更适合用于超声速横向气流中燃料雾化的数值模拟.     

超燃燃烧室等离子体点火和火焰稳定性能

为了研究热等离子点火器在超燃冲压发动机中的应用,在来流马赫数2.0工况下,针对乙烯和氢气两种燃料,进行了超燃环境中等离子体点火的试验和仿真研究.在来流总温1 500~1 950 K,燃料当量比0.1~0.55范围内对等离子点火器的点火和改善燃烧性能的性质进行了详细分析.结果显示:对于氢气和乙烯燃料,等离子体点火器使两种燃料的点火性能均得到明显改善,点火延迟时间大大缩短,燃料着火范围扩大、贫燃极限当量比降低.但未观察到其在加速掺混以及改善燃烧性能方面的明显作用.进行了与乙烯燃烧试验对应的数值仿真工作,选用了两种乙烯化学反应模型进行对比研究.仿真结果显示:8步9组分反应模型与试验结果符合较好,而3步6组分反应模型过高的估计了反应剧烈程度,燃烧室压力值偏高,压力起始上升位置偏向上游.所用的8步模型比3步模型更适合于超燃燃烧室中乙烯反应的模拟.     

超音速喷流DPIV瞬时速度场实验测量

介绍了采用数字式互相关粒子图像测速系统(DPIV)在测量超音速喷流实验中的应用;实验给出了设计马赫数Ma=1.5的小型拉瓦尔喷管在不同总压和反压比条件下,喷流速度场、流线、涡量分布等定量信息.实验结果显示出流场中激波前后流体速度,涡量分布的明显变化,波系的结构和不同于一维管流的流动特性.     

脉冲射流强化圆柱喷流混合的三维数值模拟

对利用脉冲射流强化圆柱喷流混合的流场进行了数值模拟,这项工作将高频高强度信号射流射入亚音剪切层以强化喷流混合.利用有限体积法和重整化群(RNG)k-ε湍流模型求解N-S方程.分别进行了低亚音马赫数及高亚音马赫数喷流直接排入空气的数值模拟.主要计算3个状态:未受激励的状态,斯德鲁哈尔数St分别为0.2和0.4时的状态.数值模拟结果显示,脉冲激励引起喷流在与激励源平行的平面迅速扩展,在与之垂直的平面收缩,当脉冲射流激励的St在0.2附近时,相关的混合较好,而且少量的射流流量可以极大地增加速度的衰减率.      

大功率狭缝式活塞激励器流场测量与分析

研制了一种大功率活塞射流激励器,出口瞬时速度峰值可达0.3Hz,通过对活塞激励器射流流场测量,得到激励器出口流场速度、涡量分布,分析得到激励器合成射流流动结构与特征,通过采用活塞激励器控制同轴射流掺混,实验结果证明此种活塞激励器可以用于相对较高的速度流场的主动流动控制.利用提出的设计方法设计合成射流激励器可以在激励器出口形成稳定的对涡结构,采用一定的激励频率即可对喷管气流掺混进行有效控制.研究表明,合成射流激励器作为主动流动的执行机构,在航空动力排气系统具有潜在的重要价值.     

三维抛物化N-S方程全隐格式矢通量分裂求解

采用全隐格式的矢通量分裂算法,在通用曲线坐标系内求解三维无因次抛物化强守恒型N-S(Navier-Stokes)方程.所建立的计算程序,可计算较为复杂边界的三维流场,如求解亚、跨、超音速共存的流场,分区模拟内外流共存流动及其混合剪切尾流.给出了一轴对称亚跨超音速喷管内流场的计算结果,包括计算网格,流矢分布,压力、温度和马赫数等值线分布.也给出了一喷管内外流及其混合尾流的计算结果,包括计算网格,流矢分布,无因次压力、密度和温度等值线分布.     

超声速进气道可压及不可压流动数值模拟

采用Chio-Merkle预处理矩阵对可压NS(Navier-Stokes)方程组进行时间预处理,分析了预处理方法的物理和数学背景.用有限体积方法,结合LU-SGS(Lower-Upper-Symmetric-Gauss-Seidel)隐式时间积分和AUSM+(P)(Precondition Advection Upstream Splitting Method)格式、中心差分2种空间离散格式,求解该预处理NS方程组.通过圆弧凸包流动和二维方腔顶盖驱动流动的数值试验表明,该方法克服了传统时间迭代方法模拟低速流动时的刚性问题,加速了收敛过程,可以同时有效地模拟可压及不可压流动.用此方法与块结构化网格技术相结合,进行了在不同飞行马赫数、攻角和出口反压条件下,混压式轴对称超声速进气道三维流场数值模拟.计算结果表明:该方法能准确地捕获复杂激波系,清楚地揭示进气道三维流动现象;进气道性能随工作条件的变化规律,与理论分析一致.      

射流对高超声速进气道起动性能的影响

为探索利用射流技术降低进气道起动马赫数的可行性,对二元高超声速进气道二维流场进行了数值模拟,通过对比不同工况的流场结构、流量系数及总压恢复系数,分析了射流对高超声速进气道的作用效果,并研究了射流速度、压强及倾角对进气道起动性能的影响。分析结果表明:施加射流,激波与进气道边界层原有干扰形式发生改变,是降低进气道起动马赫数的主要原因。研究还表明,增大射流速度利于提高控制效果,但持续增大射流速度,会造成隔离段反压升高,并且这一现象与射流压强相关,降低射流压强能使进气道起动的射流速度区间扩大,同时在不同射流倾角下,上述规律表现一致。该研究揭示了进气道起动能力随射流参数变化的系统性规律,可用于指导工程设计及优化。