大尺寸自由活塞激波风洞重活塞软着陆关键技术

高焓激波风洞的驱动技术决定了风洞总焓和总压试验能力。重活塞压缩加热技术具有驱动性能强和运行灵活性高等特点，是高焓激波风洞关键驱动技术。针对重活塞发射效能、重活塞与壁面摩擦、膜片破膜等情况带来的大尺寸重活塞难以安全软着陆问题，通过理论分析、动网格数值模拟和试验验证相互结合的手段，分析了重活塞实际运动过程的影响因素，建立了重活塞调谐运行方法，获得了稳定的驱动压力，可为不同的模拟需求提供对应的试验状态。研究了质量为205 kg、275 kg的重活塞在压缩管中运行最高速度分别超过350 m/s、450 m/s的软着陆过程，获得了压缩管末端总压15 MPa、总温3 450 K和总压45 MPa、总温4 845 K的定压试验状态。本研究解决了大尺寸自由活塞激波风洞重活塞软着陆难题，保障了世界最大尺寸自由活塞驱动的FD-21高焓激波风洞中、质量为数百千克的重活塞、在长度为75 m的压缩管中的运行安全。     

高焓激波风洞爆轰驱动技术研究

激波风洞爆轰驱动技术利用引爆可燃混合气体快速释放的化学能产生强激波,压缩激波管的试验气体,提供产生超高速流动所需的试验气源,是近十几年来发展成功的激波风洞强驱动方法.本文分布介绍了反向爆轰驱动、正向爆轰驱动和反向爆轰膨胀驱动模式,分析了应用这些驱动技术产生的高焓、高雷诺数、高超声速流动的气源特点,探讨了不同驱动模式影响激波风洞性能的关键因素.并重点介绍了反向爆轰膨胀驱动模式,分析了影响缝合条件的参数以及二次波现象.应用这些爆轰驱动技术,研制了能够产生总焓为1000K～8000K,具有较长试验时间的高品质超高速气流.为开展高超声速气动实验研究奠定了良好的基础.     

高焓激波风洞试验技术综述

高焓激波风洞是研究高温真实气体效应主要的地面模拟设备,基于高焓激波风洞发展的试验技术主要包括驱动技术、流场检测技术和测试技术。决定试验段所能达到的总焓和总压水平的驱动技术,主要包括变截面驱动、多段驱动、轻质气体驱动和加热轻质气体驱动;高焓激波风洞驻室温度高,导致激波管末端和喉道等内流道产生烧蚀并对流场带来污染,并且在高温条件下气体分子发生离解甚至电离,导致试验分析困难;确定试验段自由来流参数和有效时间以及污染气体推迟的流场检测技术,是开展风洞试验的前提条件;高焓激波风洞总焓和总压高,有效试验时间毫秒量级,对测试技术提出了更高的要求。本文综述相关技术的研究进展,重点介绍了气动热/气动力以及流场物理化学参数的测试技术,指出进一步的技术发展方向,以期为大型高焓激波风洞的发展与应用提供参考。     

自由活塞激波风洞定压驱动时间研究

自由活塞激波风洞是一种高焓值的高超声速地面试验设备,其运行时间十分短暂。提高自由活塞激波风洞有效试验时间的一个可行途径是延长定压驱动时间。以此为目的,本文探索了活塞压缩器中活塞速度对定压驱动时间的影响。研究结果表明,在不同的初始参数下,定压驱动时间关于活塞速度存在极大值,这些极大值形成了一条脊线(局部极值曲线)。随后,通过数值计算的结果归纳出脊线的若干性质。这些结果表明,在活塞压缩器的理论设计中,设计参数应选择在靠近这条脊线的区域,并且该处的定压驱动时间关于参数的梯度应该相对较小。     

高焓激波风洞有效试验时间的诊断

高焓激波风洞能够产生模拟高马赫数飞行条件的气流总温,是研究高温真实气体效应以及再入物理问题的有效试验装备,但是激波风洞的试验时间较短,且随着气流焓值的提高大幅降低,仅为几毫秒,因此试验测试数据曲线中有效时间段的分辨十分重要,它直接影响到试验结果的可靠性及精度。鉴于此,采用压力测量、静电探针测量、非接触光学测量和热流测量的方式,针对中国科学院力学研究所JF-10高焓激波风洞16 MJ/kg总焓、7700 K总温的流场状态,对比研究了风洞喷管的起动时间以及有效测试时间。试验结果表明:静电探针测量方法最为有效地分辨了喷管起动时间段、有效试验时间段以及驱动气体的到达; JF-10高焓风洞在16 MJ/kg的状态下,喷管起动时间约为1.3 ms,风洞有效试验时间约为2 ms。     

JF-12激波风洞在火星进入环境下的运行特性

火星探测是目前国际深空探测的热点,而火星着陆是火星探测的关键技术之一,火星着陆器发展中面临的一个严峻的挑战是其气动环境远远不同于地球大气的空气。然而,现阶段大多数地面试验设备都是以空气为试验气体来设计的,而不是火星大气的CO₂。本文利用高温热化学反应流动数值计算技术,对JF-12反向爆轰驱动激波风洞在火星进入环境下（主要气体成分是CO₂）的运行特性进行了计算模拟,通过调整激波管中驱动/被驱动气体的初始参数和高/低压段的截面积比,来模拟其中的波系产生、传播过程以及反射激波与接触面的相互作用机制。研究发现,相同情况下驱动CO₂的缝合激波马赫数要明显高于空气,通过减小驱动气体的声速和低压段的直径,可以在驱动CO₂时获得驻室压力稳定的试验气体。     

波转子非定常泄漏流动机理

针对制约波转子性能的泄漏问题,通过提取波转子中与泄漏相关的主要流动现象并建立波转子单通道泄漏模型,对非定常泄漏流动机制进行了详细的数值研究,对本文给出的非定常泄漏损失预测模型进行了数值验证。结果表明:转子通道中存在不同程度的压力波动,波动幅值与间隙宽度有关;连续反射膨胀波、周期性出现的弓形激波及其反射激波是压力波动的根本原因;间隙内部泄漏过程存在3个主要的流动阶段;泄漏过程中通道激波传播速度不变、波后时均压力不变;在一定间隙宽度范围内,激波马赫数、激波静增压比与无量纲间隙宽度均呈线性关系,当间隙宽度从0增大到0.08时,激波马赫数衰减7.3%,激波静增压比衰减10.1%;泄漏流动通过泄漏产生的主膨胀波对激波传播过程施加影响,通道激波衰减本质上是理想激波与主膨胀波叠加效应的结果;泄漏损失预测模型与数值结果吻合良好。     

爆轰驱动激波管缝合激波马赫数计算

采用数值求解的方法得出了氢氧爆轰驱动激波管的缝合状态参数.以空气为试验气体时,缝合激波马赫数随着H2摩尔浓度的增加而增加,H2摩尔浓度达到90%左右时达到最大.当缝合马赫数较高时,需要考虑高温真实气体效应的影响,缝合激波马赫数较理想气体的高.以氢空气混合气为试验气体时,缝合激波马赫数较以空气为试验气体的小.通过调整驱动气体与被驱动气体的初始参数,可以得到即能恰好消除Taylor波又能缝合的运行状态.     

跨声速涡轮叶栅激波损失控制方法

为了降低高负荷跨声速高压涡轮激波损失,发展了针对性的涡轮叶栅激波控制方法。针对吸力侧激波,提出可控膨胀设计概念,结合基于曲率的叶型设计方法,通过调整吸力面曲率分布以控制气流膨胀力度,减小了尾缘激波前马赫数,有效减弱了吸力侧激波强度和叶栅出口压力不均匀程度。针对压力侧激波,发展了消波设计方法,在吸力面的激波作用区域设计一鼓包型线,利用鼓包迎风面压缩波的预增压作用和外凸面膨胀波的消波作用,有效抑制了激波/边界层相互干扰,显著削弱了反射激波强度。可控膨胀设计和消波设计对叶栅尾缘两道激波的控制作用相互独立,可单独采用,当两种方法相结合时,吸力侧激波强度降低了29.66%,叶栅出口压力不均匀程度减小了29.28%,总压损失系数减小了12.11%。      

环形射流初始压力对激波聚焦起爆的影响分析

为了研究射流入射压力对环形激波聚焦爆震起爆的影响,以氢气和空气混合物为例,对不同射流入射压力下环形激波聚焦爆震起爆过程进行了数值模拟,结果表明,当环形射流入射强度足够大时,其形成的激波聚焦能够形成高温、高压区域,从而直接起爆爆震波;爆震管推力壁对激波具有反射加强作用,有助于爆震波的形成;环形射流入射压力存在一个临界值,低于此值时,则不能起爆爆震波.      

超声速膨胀角入射激波/湍流边界层干扰直接数值模拟

为了揭示膨胀效应对激波/湍流边界层干扰区内复杂流动现象的影响规律,采用直接数值模拟方法对来流马赫数2.9、30°激波角的入射激波与10°膨胀角湍流边界层相互作用问题进行了数值研究。系统地探讨了激波入射点分别位于膨胀角上游、膨胀角角点和膨胀角下游3种工况下膨胀角干扰区内若干基本流动现象,如分离泡、物面压力脉动及激波非定常运动、湍流边界层统计特性和相干结构动力学过程等。结果表明,激波入射点流向位置改变对分离区流向和法向尺度的影响显著,尤其是当激波入射点位于角点及其下游区域。研究发现,膨胀角干扰区内物面压力脉动强度急剧减小,分离区内压力波向下游传播速度将降低而在膨胀区内将升高,膨胀效应极大地抑制了分离激波的低频振荡运动。相较于入射激波与平板湍流边界层干扰,入射激波流向位置改变对膨胀角再附区速度剖面对数区及尾迹区影响显著,将导致其内层结构参数升高而外层降低,近壁区内将呈现远离一组元湍流状态的趋势。此外,流向速度脉动场本征正交分解分析指出,主模态空间结构集中在分离激波及剪切层根部附近而高阶模态以边界层内小尺度正负交替脉动结构为主。低阶重构流场结果表明,前者对应为分离泡低频膨胀/收缩过程而后者表征为分离泡高频脉动。     

驻定斜爆轰波的初步实验观察

本文介绍了使用激波风洞观察相对实验室驻定的斜爆轰波的方法、实验装置和初步实验结果。实验主要利用高分子可燃固体主膜片与高焓气体在加速、减速和膨胀降温过程中的混合作用,采用高速摄影技术对高超声速流场中尖劈所形成的高温和燃烧发光区进行动态观测,得到波角明显大于斜激波的结果,认为初步观察到相对实验室驻定的斜爆轰波。     

氢氧爆轰驱动激波风洞的性能

本文对膜片处起爆的氢氧爆轰驱动的概念作了简要描述。爆轰波在管端盖板上的反射压力峰值高出初始压力２００多倍，在高起始压力条件下产生的如此高的反射峰压对设备安全极为不利。串接在驱动段末端的卸爆段既能消除高的反射峰压，又能延长有效驱动时间。实验结果还表明：爆轰波后气流的定常性和重复性品质优良。用爆轰驱动来产生高焓（具有高压）试验气流是一种高性能且节省费用的新方法。还可用来获得高雷诺数高马赫数试验气流，爆     

爆轰驱动激波风洞驻室温度测量的化学温标方法

为直接测定驻室温度，以预混于实验气体中微量四氟四烷ＣＦ４在高温下热分解反应的动力学分析为基础，采用一个快速单向进样阀于喉道前部对反射激波后的气体进行采样，通过气相色谱方法检测反应终产物四氟乙烯Ｃ２Ｆ４的浓度和为温度指示，测量激波风洞中反射激波后驻室的温度。应用于最新研制成功的爆轰驱动激波风洞驻室温度测量的结果显示其采样技术及化学温标方法是适用的。讨论了用氢氧爆轰驱动产生的管壁凝结水对测量的影响。     

激波绕射触发爆震波的试验研究

在单爆震试验平台上对激波绕射触发爆震波的特性进行了试验研究.针对不同的激波反射器结构尺寸,测量了爆震管内气体压力变化历程及火焰传播速度,获得了不同工况下激波绕射触发爆震波的特性.结果表明:激波反射器对爆震波的形成有促进作用,并取决于反射器中的反射锥及反射孔板的结构与尺寸;在反射锥堵塞比一定的情况下,存在最佳反射锥锥角使得爆震波的形成距离最小;而反射锥与反射孔板的间距增大,爆震波形成距离增大,一旦形成稳定的爆震波后,反射器对爆震波压力的影响不大.      

进口斜激波、膨胀波干扰下等直隔离段内的激波串特性

 超燃冲压发动机的隔离段在实际工作中会受到进气道唇罩激波及肩部膨胀扇的显著干扰,本文针对这一特定问题进行了专门研究。提出了唇罩入射激波及肩部膨胀扇的模拟方法,并利用德国Achen的风洞试验对其进行了检验,而后以此研究了入射激波及肩部膨胀扇干扰下隔离段内激波串的基本形态,并分析了出口反压和激波入射位置的影响。仿真结果表明：当激波串在隔离段内不断前移时,受唇罩入射激波及其反射激波的干扰,其高速核心区交替地偏向上下壁面;与无激波入射的情况相比,此时激波串的耐反压能力显著降低,且入射点位置越高,降低幅度越大,管道内的沿程静压分布规律与Waltrup经验公式偏离程度也越来越大。该文结果可为进气道/隔离段的一体化设计提供依据。     

增设收缩截面后的爆轰驱动激波管性能研究

为提高前向爆轰驱动激波风洞的性能，采用在驱动段靠近主膜外增设一个收缩喉道的方法，以此来产生较为均匀的驱动气源。实验结果表明此方法有效地削弱了爆轰波后Taylor稀疏波的影响。     

准定常强激波马赫反射波形的数值研究

应用DCD频散控制激波捕捉格式,求解二维、多组分、带有化学反应的Euler方程组,数值模拟了准定常强激波的马赫反射问题.研究结果表明:与经典马赫反射理论相比,在强激波条件下,激波诱导的气体分子振动激发和化学反应使马赫反射的三波点轨迹角变小、马赫杆高度变低、楔顶附体激波倾角变小;马赫杆的相对突出量随入射激波马赫数和楔角的增大而增大,而气体分子的振动、离解等真实气体效应能进一步加剧马赫杆的向前突出.     

斜激波与内凹半圆柱面无粘相互作用

针对三维内转式进气道流动中激波入射内凹壁面主导的复杂波系干扰问题，采用斜激波入射内凹半圆柱面的简化构型，在来流马赫数为6的条件下，通过无粘数值模拟结合理论分析，研究了激波角βi=14°～29°的斜激波在内凹半圆柱面反射形成的三维流场。结果表明，流场对称面均会出现显著高于二维情况的逆压梯度。当βi≤25°时，从侧壁到对称面，斜激波经历了从马赫反射（MR）到规则反射（RR）的转变，形成了MR-RR型流场，转变点处产生的桥激波向对称面延伸，桥激波在对称面反射后产生的压力峰值高于二维斜激波反射；当βi≥25°时，斜激波在侧壁和对称面均发生马赫反射，形成了MR-MR型流场，两种马赫反射分界点处产生的桥激波向侧壁发展，侧壁气流在对称面相撞后产生的压力峰值高于正激波后的压力；当βi=25°时，流场存在MR-RR型和MR-MR型双解现象。通过降维分析理论，揭示了两类流场中转变点和分界点的形成机制，并厘清了桥激波的产生原因和初期演化特征。当βi≥18°时，无粘激波干扰所主导的侧壁气流加剧向对称面汇聚，并在对称面附近产生流向涡对。无粘分析获得的认识，有助于揭示内转式进气道中流动汇聚和流向涡对等现象的形成机...     

定常流场中二维激波反射迟滞现象研究进展

为深入理解超声速飞行器和动力系统流场中存在的激波反射迟滞现象,对近年来有关定常激波反射迟滞文献资料进行了调研和总结。回顾了定常激波反射迟滞现象的提出与证实过程,介绍了改变入射激波形状、改变下游波系结构等可引起激波反射出现迟滞的实现方式,并对粘性效应、三维效应和动态效应等影响激波反射迟滞现象的因素进行了探讨,对激波反射迟滞现象的研究热点和难点问题进行了分析与总结。