高焓流动重要基础问题研究进展

本文报道了我们在爆轰驱动高焓激波风洞中开展的测试工作的进展.试验气流有两种典型的状态.分别对应流动速度5km/s与4km/s.这里主要说明在气动热、气动力、红外辐射、电离特性、化学组分等物理量测量方法上,我们所做的努力以及所得到部分典型的结果.     

环形射流喷口位置对激波聚焦起爆的影响分析

为了研究环形射流喷口位置对激波聚焦起爆爆震的影响,以氢气和空气混合物为例,对不同环形射流喷口位置条件下的激波聚焦起爆过程进行了数值模拟。结果表明,随着喷口距凹壁面距离L增大,直接聚焦起爆和凹壁面反射起爆所需的临界入射压力逐渐增大,相应的聚焦时刻会滞后,形成焦点的位置距凹壁面越远。     

Advances in critical technologies for hypersonic and high-enthalpy wind tunnel

Hypersonic and high-enthalpy wind tunnels and their measurement techniques are the cornerstone of the hypersonic flight era that is a dream for human beings to fly faster, higher and further. The great progress has been achieved during the recent years and their critical technologies are still in an urgent need for further development. There are at least four kinds of hypersonic and high-enthalpy wind tunnels that are widely applied over the world and can be classified according to their operati...     

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.     

用于爆震引燃的激波聚焦无反应流场数值模拟

通过对用于脉冲爆震引燃的内楔表面激波聚焦冷态流场的数值模拟，分析了不同角度内楔表面在激波聚焦时流场结构的不同特点。数值计算的结果表明：对于大内楔角的情况，激波进入内楔角之后产生规则反射，温度的大幅度升高发生在激波于内楔顶点反射之后；对于小内楔角的情况，激波进入内楔角之后产生马赫反射，温度的升高在入射激波到达内楔顶点之前就已经发生，而在入射激波于内楔顶点反射之后得到进一步的提升。同时，还对不同角度内楔的反射激波后气流温度进行了比较。     

脉冲爆震发动机快起爆的二维数值模拟

为研究脉冲爆震发动机的点火过程，用二维欧拉方程和Korobeinikov两步爆震模型对爆震波快起爆过程进行了数值模拟研究。用高温高压未燃气体点火方式来模拟试验中的电火花塞点火。研究表明：电火花塞的能量不足以直接点燃爆震波，爆震波是在经历了一系列反射激波的相互作用后最终建立的。激波．爆震波转捩是快点火过程，是爆震波建立的一个非常重要的机理。在设计点火装置时，火花塞要尽可能靠近壁面和拐角，以便产生高强度的反射激波。同时还要控制反射激波的方向，使之向未燃气体中顺利传播，才能起到很好的点火效果。     

不同形式扩张喷管对两级PDE性能的影响

为了研究不同形式扩张喷管对两级脉冲爆震发动机性能的影响,以氢气和氧气混合物为例,对安装不同扩张角、长度和扩张曲线的扩张喷管的两级脉冲爆震发动机工作过程进行了数值模拟.结果表明,具有较大扩张角的喷管其推力增益较大;当扩张面积比一定,喷管长度不能太长和太短,否则喷管增推性能会下降;不同扩张曲线喷管对两级爆震发动机性能有较大影响,在扩张面积一定,长度一定的条件下,采用曲率较大的钟形型线的喷管时,凹面腔获得的冲量最大,喷管获得的冲量也最大.     

Experimental characteristics of oblique shock train upstream propagation

The structure and dynamics of an oblique shock train in a duct model are investigated experimentally in a hypersonic wind tunnel. Measurements of the pressure distribution in front of and across the oblique shock train have been taken and the dynamics of upstream propagation of the oblique shock train have been analyzed from the synchronized schlieren imaging with the dynamic pressure measurements. The formation and propagation of the oblique shock train are ini-tiated by the throttling device at the downstream end of the duct model. Multiple reflected shocks, expansion fans and separated flow bubbles exist in the unthrottled flow, causing three adverse-pressure-gradient phases and three favorable-pressure-gradient phases upstream the oblique shock train. The leading edge of the oblique shock train propagates upstream, and translates to be asym-metric with the increase of backpressure. The upstream propagation rate of the oblique shock train increases rapidly when the leading edge of the oblique shock train encounters the separation bubble near the shock reflection point and the adverse-pressure-gradient phase, while the oblique shock train slow movement when the leading edge of the oblique shock train is in the favorable-pressure-gradient phase for unthrottled flow. The asymmetric flow pattern and oscillatory nature of the oblique shock train are observed throughout the whole upstream propagation process.     

2.4m跨声速风洞流场性能调试研究

介绍了2.4m跨声速风洞性能调试研究结果,并作了简要分析.研究结果表明,该风洞流场品质全面达到国军标指标,部分达到当今世界先进水平.该研究首次在国内四壁均为斜孔壁的大型跨声速风洞中解决了优化开闭比、加速区分布形式以及特大驻室M数参考点位置确定等一系列技术问题,表明我国大型跨声速风洞流场性能调试研究取得新进展.     

二元高超声速进气道激波振荡特性实验

通过在进气道/隔离段模型出口附近设置固定的堵塞楔块提高反压,并采用高速纹影拍摄同步壁面压强测量的手段,在马赫数5.9的激波风洞中研究了二元高超声速进气道在不同堵塞度下的流动特征。研究结果表明,在较低的堵塞度下,进气道仍然能够保持起动状态,而在较高的堵塞度下,进气道出现激波振荡。上游产生的压缩波/激波在节流段的反射是出现激波振荡的重要原因之一。随着堵塞度的增加,激波振荡的频率有所升高。     

跨声速叶栅抽吸流、激波以及分离流相干效应

以某高负荷、跨声速压气机叶栅为研究对象,应用数值模拟手段探讨通过抽吸控制激波从而控制附面层发展的可行方法。研究结果表明：随着抽吸量的增加吸力面马赫数峰值提高,激波损失增加,同时使得吸力面马赫数峰值点位置后移,附面层分离减弱,分离的减弱所导致的总压恢复系数增加量要远大于激波强度增加所导致的总压恢复系数减小量;抽吸对叶栅性能改善存在一个最佳抽吸量1.2%;在保证叶栅静压压升不变的前提下,相对于未抽吸条件1.2%抽吸使得叶栅总压恢复系数提高10%,扩散因子降低18%,落后角减小5°;通道激波后实施附面层小流量抽吸不能有效改善附面层内部流动参数,当实现前缘入射斜激波投射点位于通道激波上游时,叶表附面层流动得到较大改善。     

激波风洞气动力试验不确定度影响因素分析

参考北大西洋公约组织和AIAA推荐的风洞试验数据不确定度计算方法,结合激波风洞运行特点,确定激波风洞气动力试验的主要误差源,计算激波风洞13-2标模气动力测量结果的不确定度。采用改变单一变量的方法计算主要误差源对测量结果不确定度的影响程度,辨析对不确定度起主要作用的基本参数。计算结果表明：皮托压力和总压的测量结果对流场参数影响显著,皮托压力的测量结果比总压测量结果对流场参数与气动力测量结果影响更大;降低皮托压力和总压的偏离极限,有利于提高激波风洞气动力试验数据的质量。     

激波风洞流场密度测量的聚焦纹影技术

在激波风洞试验中发展了聚焦纹影显示技术,对流场的密度进行了定量测量。聚焦纹影显示具有对流场区域聚焦显示的特点,可获得流场某个聚焦测试区域的密度变化信息。依据聚焦纹影成像原理建立了密度计算数学模型,对试验中获得的带窗口模型流场聚焦纹影图像与试验前获得的流场图像灰度变化处理后,得到了流场聚焦区域的密度定量值。试验测量密度值与数值计算结果进行了比较,结果表明试验获得的密度值变化规律与数值模拟吻合较好,证实了利用聚焦纹影技术开展流场密度测量是可行的。     

隔舱式双脉冲发动机第Ⅱ脉冲点火过程数值仿真

基于计算流体力学和相关点火理论,对双脉冲发动机第Ⅱ脉冲点火瞬态过程的流场进行了数值分析,并进行了发动机第Ⅱ脉冲点火试车试验。结果表明：在隔板打开前,第Ⅱ脉冲燃烧室高压区的位置由燃烧室前端向隔板移动,压强沿燃烧室径向变化较小,沿轴向变化较大,燃烧室头部和尾部近壁面区域一直处于低温;6 ms时隔板打开,第Ⅱ脉冲燃烧室压强下降05 MPa,药柱内孔前后端压强差波动剧烈,药柱内孔前端温度场下降600 K,而其他区域温度变化较小。隔板打开后,沿隔板下游第Ⅰ脉冲燃烧室轴线形成带状高温区,第Ⅰ脉冲燃烧室头部和尾部依次出现压强峰值,第Ⅰ脉冲燃烧室压强在18 ms时达到稳定,而温度在25 ms时达到稳定。试验测得的第Ⅰ、Ⅱ脉冲燃烧室压强-时间曲线和仿真结果吻合较好,表明该仿真方法具有一定的准确性。     

激波风洞侧向喷流干扰效应试验研究

为研究高速飞行器在高超声速来流条件下侧向喷流干扰效应,在CARDC-φ2m激波风洞上采用"先内流,后外流"的总体技术方案,完成了双锥模型在M6～M10,模拟高度20km～40km,有侧向喷流条件下的测压、测力试验研究,并采用高速流场显示方法进行了流场纹影照相.喷流模拟装置为路德维希管,冷喷流采用氮气,热喷流采用氢氧燃烧的高温气体,喷流有效时间不少于50ms.试验气流为激波风洞产生的高超声速氮气流,有效试验时间为4ms～20ms.试验研究获得了模型攻角在-10°～10°之间,不同的马赫数、高度和侧向喷流状态下的相关试验结果.本文给出了试验数据曲线和流场纹影照片,并对结果进行了初步分析和讨论.     

旋转对固体火箭发动机两相流点火过程影响仿真研究

为研究高速旋转对内外燃管型装药固体火箭发动机凝聚相点火瞬态过程的影响规律,应用计算流体动力学（CFD）流体计算软件,使用用户定义函数（UDF）编程接口建立固体火箭发动机点火模型,对旋转条件下发动机凝聚相点火过程进行模拟。将数值计算结果与地面旋转实验内弹道进行对比分析,验证数值模型的正确性。计算结果表明：①点火药燃气颗粒因旋转做离心运动,大量粒子聚集在燃烧室头部上端,部分粒子附着在发动机壁面,且停留时间较长。②点火药燃气颗粒占比从20%增加到40%,点火压力峰值降低3.93%,发动机转速的升高会造成内弹道平衡压力升高,但点火压力峰会逐渐降低,且峰值出现时间发生延迟,转速达到15 000 r/min时点火压力峰消失。③转速增大,点火颗粒与推进剂传热增大,火焰传播期减小,但燃气填充期和点火延迟增大,点火药燃气颗粒占比为20%时,转速为15 000 r/min较静止条件下点火延迟增加了23.76%。     

氢燃料双模态燃烧室模态转换

为研究双模态燃烧室的模态转换规律,采用计算流体动力学(CFD)方法,对氢燃料模型燃烧室在不同当量油气比、飞行马赫数、燃料喷射方式下的流场进行了数值模拟,并与试验结果进行对比,两者相互吻合.研究结果表明:当量油气比提高、飞行马赫数降低及双面喷射燃料均使燃烧室更趋于亚燃工作模态.     

雾化激波管研制和煤油点火延时测量

为测量雾化煤油点火延时和得到火焰自发辐射光强分布,研制了雾化激波管和燃料雾化、进气系统。采用“管外预混”思想形成煤油气溶胶,通过连续进气和抽吸方法使气溶胶均匀分布,未出现明显的液滴沉降和壁面吸附。当点火温度为1000K,缝合接触面运行的实验时间大于10ms。由压电传感器PCB和光电倍增管PMT测量指定点压力、OH基光强时间曲线。利用Mie散射测量煤油气溶胶散射光分布,采用ICCD拍摄自点火发射光强。结果表明：该雾化系统可形成粒径为2～5μm煤油气溶胶。当压力为0．1MPa、温度为1300K～1700K,测得化学计量比≠=1．0煤油气溶胶点火延时τig为0．07—6ms,In（τig）和10000／τig近似呈线性关系。与气态煤油相比,该文高温点火延时和已有文献数据接近,但低温点火延时偏大,表明了低温下煤油点火的两相效应。     

Aerodynamic force and moment measurement of 10° half-angle cone in JF12 shock tunnel

An aerodynamic force and moment measurement was conducted in JF12 long-testduration detonation-driven shock tunnel of Institute of Mechanics,Chinese Academy of Sciences.The test duration of JF12 is 100–130 ms.The nominal Mach number is 7.0 and the exit diameter of the contoured nozzle is 2.5 m.The total enthalpy is 2.5 MJ/kg which duplicates the hypersonic flight conditions of Mach number 7.0 at 35 km altitude.The test model is the standard aerodynamic force model of 10° half-angle sharp cone.The length of the test model is 1500 mm and the weight is 57 kg.The aerodynamic forces were measured with a six-component strain balance.The angles of attack were set to be à5°,0°,5°,10° and 14°,respectively.The experimental results show that in the 100–130 ms test duration,the signals of strain balance have 3–4 complete vibration cycles.So,the aerodynamic forces and moments can be obtained directly by averaging the signals of balance without acceleration compensation.The force measurement error of repeatability of JF12 is less than 2%.The aerodynamic force coefficients of JF12 are in good agreement with those of conventional hypersonic wind tunnels.For this test model at Mach number 7.0 and total enthalpy of 2.5 MJ/kg,the real-gas effects on aerodynamic force characteristics are not very evident.     

水下点火固体火箭发动机两相流流场数值分析

利用FLUENT软件,使用湍流模型和VOF(volume of fluid)模型对水下点火固体火箭发动机的气液两相流场进行数值分析,对点火初期喷管中燃气的流动过程和燃气泡的发展过程进行了仿真,数值模拟了固体火箭发动机尾流场燃气密度、压力和温度的分布规律。研究表明:点火初期,喷管内流场将有一个完整激波建立的过程,除此之后的喷管尾流区域,由于气体受到压力扰动的影响,激波结构被破坏,没有形成连续的膨胀—压缩波;射流过程中燃气泡头部一直保持较大直径,中部燃气通道存在随轴向周期性的膨胀-压缩现象;喷管尾流区,各流动参数出现不同程度的振荡现象:喷管出口燃气密度受外界水的压缩及传质传热的影响,出现峰值后逐渐稳定;喷管出口燃气总压由于受水环境的急剧压缩,在喷管出口附近形成一个高压区;喷管出口燃气温度经三次周期变化后,温度逐渐降至1750K以内。