非等强度多道冲击波作用下空泡溃灭机制分析

航空航天、生物医学等领域均存在冲击波与空泡作用问题,冲击波尤其是多道冲击波作用下空泡溃灭包含着复杂的多相瞬变行为与物理现象。基于自主搭建的可压缩多相流并行数值平台,对液体中单一/多道冲击波与空泡的作用过程进行了数值模拟。通过对冲击波作用下空泡内波系性质,以及多道冲击波与空泡作用后的系列反射波系在液体中的相互作用过程进行详细解析,分析了不同冲击波作用下空泡的形变演化过程,探究了空泡的溃灭机制与特性。研究发现,相较于单一冲击波的作用,多道冲击波作用下空泡内部及周围液体流场中的波系结构更为复杂,然而无论是单一冲击波或是多道冲击波工况,其最终诱发的空泡溃灭形态均十分相似。而且,当空泡发生溃灭前所受到多道冲击波的总强度与单一冲击波强度相等时,空泡的溃灭波强度也十分相近,为多道冲击波与空泡作用效果的定量化评估提供了理论基础和依据。     

槽道湍流的法向与展向电磁力壁面减阻

法向与展向电磁力可以有效调制湍流近壁流动及减少壁面摩擦阻力.为进一步揭示该方法的减阻机理,利用Fourier-Chebyshev谱方法,通过直接数值模拟(DNS),对槽道湍流的法向与展向电磁力控制和减阻问题进行了研究.结果表明,对于确定的流向波长λx+,存在最佳的电磁力强度St,使阻力降最大,最佳St与λx+成反比.法向与展向电磁力对湍流的控制过程实质上是一种由电磁力诱导的调制波对壁湍流的调制过程.在优化参数控制下,当法向与展向电磁力诱导的流场被用来调制固有的近壁湍流流场时,固有流场和诱导流场同时受到调制.在这种调制波作用下,调制流场逐渐主宰壁面边界层,这导致了壁面阻力的下降,平均减阻率最高可达8％.     

运动激波绕射的数值模拟

用高分辨率的ＴＶＤ格式对复杂的激波反射过程做数值模拟。激波斜壁反射计算结果与实验干涉照片、压力分布、密度分布均符合得很好。通过对运动激波绕射凸起物的数值模拟,得到非定常反射流场发展过程及复杂流场间断的清晰图谱。     

导弹水下发射近筒口点火时机选择影响研究

潜射导弹蒸汽-燃气弹射出筒时,弹尾会附着燃气泡,该尾空泡的发展形态会对水下点火燃气射流流场的建立产生影响。为了研究水下发动机不同工作状态发射流场结构变化及原因,采用Mixture模型和动网格技术对发动机处于尾空泡的三种包覆状态:扩张初期、收缩初期、完全闭合状态(对应点火位置分别为2.2m,4.3m,6.5m)的燃气射流动态流场进行数值模拟。仿真结果表明,尾空泡收缩程度越大,发动机喷管流场结构越复杂,尾空泡不断地膨胀-颈缩,使得发射平台受到较大的压强脉动;当尾空泡未处于收缩状态阶段且发动机运动一定安全距离4.3m时点火,既有利于燃气射流流场的建立,同时发射筒及艇体受到的压力脉动最小,从而有效地提高了水下点火发射的安全性。     

纳秒脉冲等离子体激励器用于圆柱高速流动控制的数值模拟

利用数值模拟,研究了纳秒脉冲介质阻挡放电（NS-DBD）等离子体激励器在圆柱高速流动控制中的应用。首先,研究了单电极NS-DBD等离子体激励器在静止空气中放电后的流场特性。研究表明在介质阻挡放电形成的等离子体区域,有局部能量快速注入,放电结束5 μs后在上极板后端点位置形成了一个局部温度高达900 K的热点,由此引发很强的压力扰动,形成以上极板后端点位置为中心,扩散速度约为声速的半圆形压缩波。在此基础上,通过数值模拟研究了NS-DBD等离子体激励器布置在直径为6 mm的圆柱上,来流马赫数为Ma_∞=4.6时,对圆柱脱体激波的控制作用。研究表明介质阻挡放电形成的半圆形压缩波对于脱体激波有很强的干扰作用,激波距离增加了15.7%,激波强度也有相应的减弱,导致阻力减少了13%。     

壁面抽吸条件下的爆震波传播特性

为研究静止气中壁面抽吸对爆震波传播特性的影响,采用数值模拟方法研究了多孔抽吸壁面条件下爆震波的流场结构、传播速度等特性的变化规律。结果表明多孔抽吸壁面对爆震波传播特性有两方面的影响。首先,流场与多孔壁面发生碰撞产生弧形激波,弧形激波对爆震波的横波结构造成直接破坏,导致靠近多孔壁面区域的爆震波产生明显的速度亏损,爆震波强度削弱甚至熄爆;其次,多孔壁面作用导致了流场不稳定性增强,流场与孔板碰撞产生高温高压点,对爆震波的传播有促进作用,尤其在临界条件下,可能导致爆震波熄爆后重新起爆。在保持抽吸压力和边界条件不变情况下,对不同活性及不同抽吸距离时的爆震波传播特性进行研究,发现预混气活性降低、抽吸距离增长时,爆震波结构和传播速度受壁面抽吸影响增强。在加长抽吸距离条件下,随着预混气活性的降低,存在3种爆震波传播现象,即自持传播、熄爆后重新起爆以及完全熄爆。将相应工况下的实验研究与数值模拟结果进行对比,验证了数值模拟结果的正确性。     

轴流压气机转子旋转不稳定性检测及机理探讨

为了探究固定通道中叶尖泄漏流非定常性引起旋转不稳定性(RI)的物理机理,以轴流压气机转子为研究对象分别进行试验和数值研究。通过对机匣壁动态压力信号的分析获取其叶尖流场的非定常特征,发现RI仅在靠近失速边界的狭窄的流量范围工况出现,RI的模态随时间变化。在此基础,采用五通道的数值模拟方法对该转子的内部流场进行了研究。结果表明,数值模拟流场中出现的静压扰动的变化规律和频率特征与试验测量结果一致,多通道的数值模拟成功地预测出RI产生的过程。进一步的流场分析表明,固定通道中出现了泄漏流自诱导非定常性,其对通道压力面近叶尖区压力分布的影响使得相邻叶片的泄漏流也出现自诱导非定常性,该过程在叶尖环面沿周向传播导致了RI现象的出现。     

叶轮行波振动下的气动阻尼计算

为展开运动边界下离心叶轮流场的数值分析,独立开发了网格变形程序和非定常流动模拟程序,实现了流场中振动离心叶轮的气动阻尼计算。采用紧支径向基函数法进行结构到气动表面变形的数据传递,应用二叉树技术进行壁面距离的计算,大幅提高了网格变形和流场分析中距离搜索的计算效率。通过振动叶栅和径向叶轮的算例,验证了程序应用于运动边界流场计算和叶轮流场模拟的正确性。以半开式叶轮为对象,展开其在行波振动条件下气动阻尼的计算分析。结果表明,叶轮在前、后行波振动下的气动阻尼均为正,后行波振动引起的气动推力和气动阻尼较大,叶轮表面的平均气动功率密度呈现循环对称的分布特征。     

抛物型激光推进光船构型设计与特性分析

以轴对称Navier-Stokes方程组为基础,将球面激光支持的爆轰波模型与流场控制方程组进行耦合求解,数值模拟了抛物型激光推进光船的工作过程。计算中对激光支持的爆轰波阵面进行实时追踪,以获得激光能量吸收源项,同时采用Gupta建立的高温平衡空气模型来计算工质的热力学参数和输运特性。并用所发展的数值模拟程序研究了不同构型设计光船的推进性能。最后分析了流场流动特性和推力生成机制。结果表明,推力面离焦点距离越近,光船获得的冲量耦合系数越大,而峰值推力越小。     

脉冲激光能量降低高超声速波阻机理研究

高超声速飞行器面临较高的波阻问题。为揭示基于脉冲激光能量沉积的减阻机理,并为激光减阻新方法提供科学指导依据,在马赫数为5.0的高超声速激波风洞内开展了单脉冲激光与弓形激波相互作用过程的实验研究。结合数值模拟结果,揭示了单脉冲激光的减阻机理。通过数值模拟研究了高重频激光与弓形激波相互作用的减阻机理。结果表明:在脉冲激光引致的激波与弓形激波相互作用的特定时刻,钝头体表面附近形成了低压低密度通道,这是钝头体阻力降低的原因。高重频激光引致的激波串可在高超声速流场中追赶合并形成锥形的准静态波,准静态波与弓形激波相互作用增大了弓形激波的脱体距离,弓形激波后压力和温度重新分布,形成相对稳定的流场结构,减阻率达到19%。     

转捩对压缩拐角激波/边界层干扰分离泡的影响

为了研究转捩对压缩拐角内分离泡结构的影响,进行了来流马赫数2.9,24°压缩拐角激波/转捩边界层干扰的直接数值模拟（DNS）。通过在拐角上游平板的不同流向位置处添加周期性吹吸扰动激发流动转捩,使得转捩不同阶段进入拐角入口,从而在拐角内产生激波/转捩边界层的相互干扰。计算得到的平均速度剖面、壁面压力分布以及分离泡大小与风洞试验及以往直接数值模拟结果吻合较好,验证了计算结果的可靠性。研究了转捩过程对角部干扰区内分离泡结构的影响规律,分析比较了不同转捩阶段下角部分离区内湍动能的生成、耗散和分配机制。研究结果表明：转捩初期的拟序涡结构对分离泡尺度及形状影响最大,发卡涡包在角部拐点附近发生展向融合,并在角部区域形成湍流斑,此时分离泡尺度最小,形状呈现中间高两边低的山峰型。随着转捩的发展,分离区内湍动能生成和近壁区的耗散逐步降低,此时输运项起到了主要的平衡作用。     

激波聚焦火焰聚心起爆器的数值研究

针对短距离内的激波聚焦起爆问题,设计了一种激波聚焦火焰聚心起爆结构,通过数值模拟方法对该结构内部流场变化进行研究。结果表明:加速区是火焰失稳加速的重要区域;聚焦区能量汇聚造成局部爆炸是燃烧转爆轰加速的关键因素,且该区域内由于几何结构形成的卷吸涡能够增强聚焦并阻碍激波回传入加速区;稳燃区主要实现爆轰波从过驱状态到稳定爆轰状态的过渡区。确定中心轴线上温度、压力波动是由于聚焦腔聚焦作用造成的,而爆轰波锋面温度压力变化是由于三波点运动造成。      

基于结构声强法的机匣振动能量传递特性

为了分析在转子不平衡力激励作用下机匣上纵波、剪切波、扭转波以及弯曲波所携带的瞬态与稳态振动能量的分布规律和传递特性,将结构声强法拓展成矩阵的形式应用到航空发动机领域。建立了转子不平衡力作用下的双转子-支承-机匣耦合模型,通过由有限元工具和自编译程序组建的计算系统,求解并可视化了在高低压转子不平衡力激励作用下机匣瞬态与稳态的总结构声强场以及不同类型振动波的结构声强场。此外,通过运动方程推导并分析了结构声强与结构振动特性之间的内在物理关系。结果表明,机匣上纵波振动能量穿过法兰边后沿其周向传递,而剪切波和扭转波所携带的振动能量则可以穿过法兰边沿机匣轴向传递;支板上的振动能量首先以弯曲波的形式传递到机匣上,振动能量在机匣上沿主要路径传递过程中会发生不同类型振动波相互转换的现象;结构声强通过结构的动能变化率、应变能变化率以及阻尼耗散等能量参数与结构振动特性产生内在物理联系,对结构振动的控制本质上就是对振动能量流的控制。研究结论可为航空发动机机匣以及整机减振提供一定理论指导。     

光船对气液两相介质激光支持爆轰波影响的数值模拟

建立了气液两相介质单脉冲激光支持爆轰波的数值模型,结合光船边界条件,数值模拟爆轰波及其周围流场的演化过程,分析温度、压力、速度场在爆轰波发生时的变化特性和演化形态。研究表明:有无光船边界在30μs前爆轰波发展趋势基本一致。激光作用结束后,焦点范围处温度压力均达到最大,速度继续上升达到最大后逐渐衰减。温度最大值一直在焦点附近,压力最大值则是在激光作用时出现在中心处,激光作用结束后,转移到波阵面上,而速度最大值发生在冲击波波阵面上。光船模型中,冲击波会与壁面发生耦合作用,冲击波的反射与叠加作用使最大温度中心会向外偏移,压力和速度会在壁面与冲击波边沿接触面的两侧处达到最大值,向内侧逐渐减小。      

点火位置对中心分级燃烧室点火过程影响的研究

燃烧室点火可靠性关系到发动机的整体性能,而点火位置对点火结果具有较大的影响。本文首先对点火位置位于回流区边缘中游的点火过程进行实验研究,同时采用数值模拟的方法对冷态流场和燃烧过程进行研究并与实验结果对比,从而验证数值模拟的准确性,最后采用数值模拟的方法研究了不同点火位置的火焰传播过程。结果表明,点火初始时刻,在流场的作用下,火核首先在燃油浓度较高的周向进行传播,同时在流场的作用下沿轴向向燃烧室下游传播,最终在回流区的作用下运动至燃烧室头部。当点火位置位于回流区中上游时,点火成功的关键是火焰传播到靠近头部燃油浓度较高的区域,而点火位置位于回流区下游时,其点火成功的关键是火焰传播到燃烧室中心位置并具有较高的能量。最佳点火位置位于回流区边缘的中游位置。     

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。     

压力波作用下二维椭圆形气泡界面演化规律研究

水中压力波与气泡相互作用研究是解决空泡群溃灭问题的核心基础。射流是压力波作用下气泡非球形演化的最显著特征。本文通过数值模拟方法分析了水中压力波加载下二维椭圆形气泡的界面演化规律。结果表明,射流的生成位置与气泡倾角无关,方向与其密切相关。当气泡倾角等于0°,在气泡长轴两端生成两个方向相反的射流,最终与压力波传播方向相同的射流占主导。当气泡倾角等于90°,在气泡长轴两端生成两个对称射流,其与压力波传播方向夹角为53.9°。通过定量分析涡量方程式中各项的作用,揭示界面处压力梯度和密度梯度不共线导致的斜压机制是射流形成的主要原因。最后,通过改变椭圆形气泡倾斜角度,获得了气泡倾角与射流角度的关系。     

基于CFD的并列超空泡射弹高速斜入水流体动力特性研究

在对水下目标连续、密集的打击过程中常常涉及到多体间的运动干扰和空泡非定常耦合等问题,使得流场结构和运动特性变得复杂。为分析并行超空泡射弹高速入水过程中流场的相互干扰规律,采用CFD方法建立并列弹高速斜入水流体动力特性研究数值模型,同时将并列弹与单个弹的计算结果进行对比,明确并列弹高速入水空泡形态和流场分布与单个弹的差异,并进一步给出弹间干扰特性随并列弹轴线间距的变化规律。计算结果表明：较单个弹入水过程,随着轴线间距的减小,并列弹的流体动力特性变化复杂;当轴线间距增大至G=4时,并列弹的流体动力特性与单个弹差异不再显著。并列弹高速入水时,双空泡形态呈现镜面对称特性,内侧空泡受挤压贴近弹体表面,随轴线间距的增加,空泡间的干扰作用逐渐减弱;高压区和低速区主要存在于射弹头部,且轴线间距较小时,出现高压区重叠现象;随着轴线间距减小,内侧空泡压力、速度分布对空泡演化的影响程度在入水深度较深位置更为明显。由于射弹表面内外侧压差的作用,使射弹姿态产生显著变化,表现为弹头相互排斥,弹尾靠拢。     

激光与空气作用过程中辐射能量损失的研究

激光与空气相互过程中,与辐射相关的各种过程起着特别重要的作用。研究了高温气体辐射对气体流体力学过程的影响。辐射能量密度和压力对气体状态和运动的影响完全可以忽略不计,而流场的辐射能量损失不能忽略。利用光线追踪法,运用辐射输运方程,根据光线在网格中的传播路径,计算空气吸收的激光能量;根据网格厚度,确定辐射能量损失。数值求解含能量源项的流体控制方程,对激光击穿空气的等离子流场演化过程进行了模拟,得到了辐射能量损失随入射激光能量的变化规律。     

高亚声速近壁流场模拟装置研究

采用计算流体力学方法对用于激光辐照热效应实验研究的高亚声速流场模拟装置的近壁流场进行了数值计算,分别针对靶材固壁为平面和弧面的情况比较了实验区无侧板和有侧板时的流场品质,结果表明侧板与靶材固壁构成的半开放槽道能够形成更大范围的均匀流实验区。根据数值计算优化的实验区结构参数研制了流场模拟装置,流场校测结果与数值计算符合良好,流场品质能够满足激光辐照热效应实验研究的要求。