三维化学非平衡无粘流场的数值模拟

本文用ＮＮＤ格式求解了化学非平衡流场，利用点隐式处理组分连续方程的刚性，采用全流场激波捕捉办法和特征理论，成功地进行了物面边界条件的处理，模拟了高马赫数来流条件下捻激波流场。化学反应采用了五组分五反应模型，建立起来的三维流场计算程序可用于复杂外形化学非平衡无粘流场的数值模拟。     

航空煤油替代燃料的着火与燃烧特性

选用了航空煤油(Jet A-1)的3种替代燃料(正癸烷、正癸烷与三甲基苯双组分混合燃料、正癸烷与甲苯双组分混合燃料),并详细分析了这3种替代燃料着火与燃烧的详细化学反应机理(正癸烷单组分燃料为67种组分与344个基元反应,正癸烷与三甲基苯双组分混合燃料为118种组分与527个基元反应,正癸烷与甲苯双组分混合燃料为84种组分与440个基元反应).对这3种替代燃料在激波管中的着火延迟特性及在预混燃烧炉中的预混燃烧过程进行了详细的数值计算,并与实验数据进行了对比分析.同时,比较分析了双组分燃料中两种组分体积分数对着火与燃烧特性的影响.结果表明:在预测Jet A-1航空煤油的着火特性与预混燃烧特性上,两种双组分混合燃料要优于正癸烷单组分燃料.同时,两种双组分混合燃料中两种组分的体积分数对燃料的着火与燃烧特性影响显著.      

化学动力学模型对H2/AIR超燃模拟的影响

为了研究超燃流动中不同化学反应模型的影响，提出流动项与化学反应生成源项解耦处理的化学非平衡流动计算方法，从薄层近似N－S方程出发，采用ENO差分格式，数值模拟了超声速H2／Air 预混合气体中钝体激波诱导的振荡燃烧流场，针对飞行速度大于和接近爆轰速度两种不同流动状态，比较Evans-Schexnayder提出的7组分8反应机理（ES模型），Jachimowski提出的13组分32反应机理（J模型）及其简化为9组分19反应机理（J－1模型）对流场参数的影响，计算表明反应机理引起压力场变化较小，对温度等参数影响较大，对于飞行马赫数低于7的问题，取不包括N原子反应的Jachimowski的9组分19反应机理较合适。     

有化学反应的气体的非平衡数值模拟

利用三温度动态模型,对具有化学反应的强正激波后的高温气体的非平衡流动进行了数值模拟,在较宽的马赫数范围内（6～26）,计算出了各种气动参数及气体组分在非平衡区随时间的变化历程,并与有关文献进行了比较。     

激波加热超声速燃烧室直连式试验台喷管中的化学非平衡流动

为了开展飞行马赫数8和9的超燃冲压发动机直连式试验研究,将中国空气动力研究与发展中心的FD-14激波风洞改造成了激波加热超声速燃烧室直连式试验台。设计了两组喷管,喷管出口马赫数为3.5和4.5,分别用于模拟飞行马赫数8和9的超燃冲压发动机燃烧室入口气流条件。采用Park、Gupta、Dunn/Kang三种纯空气化学反应动力学模型,对马赫数3.5及马赫数4.5喷管中的化学非平衡流动进行了数值模拟研究,并对三种纯空气化学反应模型进行了比较分析。研究结果表明:在喷管收缩段,N₂和O₂的离解效应显著,而在喷管扩张段,N原子和O原子的复合效应更加显著;马赫数3.5及马赫数4.5喷管出口的NO摩尔分数分别为2.3%～2.57%和4.8%～6.0%,O原子摩尔分数分别为0.04%～0.11%和0.75%～1.25%,N原子摩尔分数几乎为零;在喷管扩张段,流动为典型的"冻结流";三种化学反应模型中,采用Gupta模型时O₂和N₂的离解程度最大,相应生成的NO及O原子含量更高,但是三个反应模型计算获得的各个组分在喷管...     

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。     

均匀磁场中高超声速弱电离气体流动数值模拟

采用7组元化学模型并应用组分公式计算电导率,通过求解黏性MHD(magneto-hydro-dy-namics)方程组,研究了不同强度均匀磁场对三维钝头体高超声速绕流化学非平衡流动的影响.结果表明,随着磁场的增强,激波脱体距离逐渐增加;总阻力系数和壁面温度逐渐减小.在B_y=0.03 T磁场作用下,与无磁场的结果相比,化学非平衡流中的激波脱体距离增加约7%,总阻力系数减小约5%,局部壁面温度最大降低74%;而冻结流中的激波脱体距离增加约43%,总阻力系数减小约6.9%,局部壁面温度最大降低18%.      

酚醛树脂激波管试验的高温热解研究

使用激波管作为加热手段研究酚醛树脂在1200~1800K温度范围内的热解特征。气相产物中主要碳氢产物是甲烷、乙烯、乙炔、苯和甲苯。获得试验温度范围内主要碳氢产物分布随热解温度的变化关系。结果表明,在试验温度范围内随着热解温度的升高酚醛树脂的热解机理发生重大变化。1400K以下热解断键过程主要发生在亚甲基桥链结构上;1400K以上芳环开环成为主要的热解通道,生成大量的乙炔。     

磁场对高超声速弱电离气体流动的影响

对偶极子磁场作用下的三维钝头体高超声速黏性绕流的化学非平衡流动进行了数值模拟。电导率利用组分公式计算,化学模型为7组元、6反应模型。应用诱导磁场方法将磁场与流场耦合,控制方程的空间离散采用有限体积法,扩散项用中心差分格式,对流项采用二阶迎风格式,时间推进采用3步Runge-Kutta法。计算结果表明,外加偶极子磁场使激波脱体距离增加,壁面摩擦系数和表面热流密度增大。与无磁场作用时相比,在0.153T外加磁场作用下,冻结流中的激波脱体距离增加约3倍,局部壁面摩擦系数最大增加63%,局部表面热流密度最大增加61%;而化学非平衡流中的激波脱体距离增加约0.5倍,局部壁面摩擦系数最大增加47%,局部表面热流密度最大增加31%,且化学非平衡流中激波层内温度的最大值约为冻结流中的64%。     

高温化学非平衡湍流边界层脉动量象限分析

高超声速飞行器在较低空域以极高马赫数飞行时，表面会同时存在湍流与化学非平衡流动，但目前针对此类高温化学非平衡湍流边界层流动特性的研究工作还比较有限，对不同湍流特征的主导流动机制的认识还有待于进一步深入。选取高超声速楔形体头部斜激波后的流动状态，设置3种不同的壁面温度，通过直接数值模拟对比了不同壁温条件下的边界层参数分布特性，并采用象限分解技术分析了边界层不同象限流动事件对雷诺剪切应力、湍流热流、湍流质量扩散的贡献。结果显示：在整个边界层中上抛和下扫运动对雷诺剪切应力的贡献占优；冷壁效应会使得流向和法向湍流热流通量的主导流动事件在温度峰值两侧发生改变。O原子组分流向湍流组分扩散主要受到高质量分数流体慢速运动事件和低质量分数流体快速运动事件的影响，而法向湍流组分扩散则主要受到高质量分数流体向上运动事件和低质量分数流体向下运动事件的影响。     

二维双楔外形穿越激波流场特性及其数值分析

用数值方法求解非定常可压缩Navier-Stokes方程，模拟了双楔外形物体超音速穿越与之同向运动激波以及逆向运动激波两种穿越激波的全过程，给出了穿越过程中流场与运动激波产生剧烈的干扰所形成的复杂波系结构，两种穿越情况的激波干扰都呈现双马赫反射的特征。在追击穿越中，楔形物体追上激波后所受阻力急剧的变小；而在碰撞穿越过程中，物体碰到激波后阻力急剧增加，两种穿越情况楔形物体的气动力都发生的剧烈的改变。     

激波运动与反射流场的ENO算法

在ＴＶＤ格式的基础上，以修正限制函数的方法，将通常的ＴＶＤ格式改造为性能更为优越的ＥＮＯ格式，并利用这种有限差分格式求解欧拉方程和薄层Ｎ－Ｓ方程。分别数值模拟了激波管中运动激波与三种楔形物体相互作用流场；给出了激波在不同物体上的反射及波涡干扰过程中非定常流场的变化情况；算出的波系结构在与ＣＡＲＤＣ小型激波管中做的相关实验结果一致。     

准稳定三波结构的研究

对超声速流中准稳定三波结构进行了研究，该结构中主激波以一定的速度D沿超声速流运动，它不但引起相应的反射激波运动而且会使激波后气流中的一系列气动力参数发生变化，包括总压、总焓和熵等。本研究给出了这些量与入射激波强度之间的关系。在一定的速度D的情况下，给出了三波结构的力学相容性条件是可以被破坏的。     

超声速流中三波结构的参数优化研究

对三波结构的参数进行了探讨，给出了在反射激波和主激波后一些气动力变量的比值存在极值，文中称这种结构为优化结构，当给定气流的马赫数时，理论上就可确定优化三波结构的入射激波强度和存在区域，这可为一些超声速气动装置的设计提供参考依据。     

激波对管内壁堆积粉尘作用的实验研究

用水平激波管研究了激波对管内壁堆积粉尘的抛撒效应。试验粉尘为玉米粉（平均直径５μｍ），采用ＹＡ－１６高速摄影机观察了激波特性和粉尘云的发展，结果表明，在激波扫过堆积粉尘与粉尘被扬起存在一定时间滞后，粉尘云的高度也是有限的。     

爆轰波-激波迎面作用后的稳定波系

本文为对当量比乙炔氧气混合气体中爆轰波与激波正面对撞产生稳定波系的实验和理论研究.实验主要以高速扫描摄影获取两波对撞的x-t纹影图,一维理论分析则基于三种热完全的组分求解两波对撞的稳定解并探寻它们的规律.实验发现透射波系包括一道激波和爆轰波,以及紧随爆轰波后的稀疏波区,这种波系情况与一维理论分析中CJ解一致.透射CJ爆轰与人射爆轰相比马赫数降低,而相对波前来流的传播速度有轻微提高,但在实验室坐标下其速度显著降低.透射波系受初始压强影响不大;初始温度提高使得爆轰波速度降低,而透射激波速度增加;对波系起实质影响作用的是入射激波强度,激波越强,则整个透射流场呈现偏向激波的趋势;理论分析还指出,稀疏波区的出现不可避免,当激波强度趋于声波时稀疏波区趋于消失,激波越强则疏波区趋于扩大.     

环簇式塞式喷管中立体激波的拓扑结构

采用仅显示环簇式塞式喷管单元间干涉激波区域网格点作为可视化方法对数值模拟结果进行后处理,得到了直观的三维干涉激波图像,并归纳得到三种干涉激波的拓扑结构和一种脊状能量泄漏区.结合文献中的实验数据分析了三种拓扑结构所造成的干涉损失,为设计提供参考.      

高分辨率TVD格式的应用

在Jameson格式的基础上，利用修正通量法，构筑TVD（Total Variation Diminishing)格式。通过三个典型的一维和二维算例的计算结果表明，TVD格式对激波具有较高的分辨率，它为具有复杂激波系的喷管、叶栅等跨音速流场计算提供了一种有力的工具。     

正激波结构与反射的蒙特卡罗模拟

本文用变径刚球模型(VHS)与Larsen-Borgnakke模型借助直接模拟蒙特卡罗方法模拟正激波结构与反射问题。直接模拟显示了分子间作用力幂次对激波剖面的影响,平动自由度经激波的非平衡效应,双组分气体经激波的组分分离效应,有转动自由度激发(双原子分子)气体中激波结构、传播和反射、双原子轻分子作为载体的混合气体激波结构中重气体的温度超出等。     

用热流探针测量激波速度

激波速度测量是激波管和激波风洞运行状态的一个重要参数,压电传感器或光学方法测速系统成本高,而传统电离探针在激波马赫数较低、波后温度达不到空气电离程度的情况下无法满足实验要求。提出了一种使用同轴热电偶作为测速探针来测激波速度的方法,弥补了电离探针在激波马赫数较低时的不足。介绍了同轴热电偶探针测速原理,并设计了测量激波速度的系统电路。通过信号放大电路锁定激波冲激信号,触发脉冲信号发生电路,实现了一种单通道、多测点的激波风洞测速系统。分别开展以温度与热流为触发信号的风洞实验,结果表明只有使用热流信号才能满足激波测速的时间要求。