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。     

基于膨胀波效应的高超声速进气道肩部流动分离控制研究

为改善高超声速进气道唇口激波/附面层干扰诱导的肩部流动分离，从膨胀波及激波理论出发，推导出了膨胀波效应影响下的斜激波附面层干扰理论公式，获得了影响斜激波诱导分离的主要因素：膨胀角梯度、激波角及波前马赫数。在此基础上，开展了膨胀波效应影响下的流动分离控制研究，给出了膨胀波效应影响下斜激波诱导分离的判别及预测方法。结果表明：增大激波入射点处膨胀角梯度，可以显著减小甚至消除肩部流动分离；随着激波角增大，激波强度及逆压力梯度增加，分离区尺寸显著增大。而波前马赫数对分离区尺寸的影响不显著；在进口马赫数3.57～5.18，唇罩角度6°～10°范围内，当激波入射点处逆压比梯度小于250 m-1时，斜激波诱导的流动分离消失，可为改善超声速/高超声速进气道内流道流动分离提供技术支撑。     

斜激波极值规律的边界层影响

采用边界层理论与斜激波/膨胀波精确算法，建立一种结合Eckert参考温度法和Illingworth-Stewartson变换法优势的边界层权重算法，用于研究超声速黏性楔面边界层位移厚度对斜激波极值规律的影响。分别应用层流Navier-Stokes方程和湍流Navier-Stokes方程的CFD解算器对边界层新模型进行了算例精度评估。在来流马赫数为1.2~2.4和楔面角为3°~20°的范围内，压强比的相对误差小于0.1%。计入层流与湍流边界层影响的理论模型研究表明，边界层影响使得最优马赫数增加；对于层流边界层，最优马赫数增量约为0.001 5~0.003 3；对于湍流边界层，最优马赫数增量约为0.002 8~0.006 1。     

趋于临界马赫数的圆柱跨声速绕流特性分析

通过深化认识趋于临界马赫数Ma_cr的圆柱跨声速绕流特性,明确新型飞行器增升减阻设计的空气动力学理论依据。采用大涡模拟方法数值研究了来流马赫数Ma_∞为0.75和0.85、雷诺数Re为2×10⁵的圆柱跨声速绕流。结果表明:当Ma_∞趋于临界马赫数(Ma_cr≈0.9)时,圆柱的阻力下降且升力系数振荡被抑制;通过力的分解,得知圆柱的阻力减小来自旋涡力的影响,而非可压缩性;圆柱的阻力减小与其背压上升有关;剪切层初始阶段的对流马赫数Ma_c随Ma_∞的增加而增大,而增长率相反,这使得剪切层更为稳定、柱体背压更高。此外,由于Ma_∞=0.85时边界层分离点处的激波和尾迹处的激波向下游推移,使得近尾迹处的湍流脉动减弱,进而导致柱体的表面压力振荡和升力系数振荡被抑制。     

压缩-膨胀湍流边界层平均摩阻分解

采用直接数值模拟对来流马赫数2.9、24°压缩-膨胀折角构型中激波与湍流边界层干扰问题进行了研究。重点关注膨胀折角法向高度对激波干扰区以及下游平板边界层流动的影响。研究发现，当高度足够大时，激波干扰区内未受下游膨胀波的影响，此时的流动特征与传统的压缩折角干扰构型一致。高度较小时，脱体剪切层的再附过程受到下游膨胀波的加速影响，导致再附点向上游移动，分离泡发生剧烈收缩。对上、下游平板湍流边界层应用了平均摩阻分解技术，比较了湍流边界层在平衡和非平衡状态下的差异。分析发现，膨胀折角区域的高摩阻现象主要与摩阻分解后的C_f1项与C_f3项相关。高度变化对C_f1项影响较小，而对C_f2项影响显著。高度变化体现在：下游平板上G9rtler涡结构强度以及层流化现象对C_f2项贡献的差异。     

一种二元进气道起动特性的数值与实验考察

采用Spalart-Allmaras湍流模型对来流马赫数变化引起的二元高超声速进气道模型的起动特性进行了三维数值模拟,并在来流马赫数5.5和5.9两种工况进行了激波风洞实验验证。结果表明,进气道不起动时,模型侧板上的流动分离与外压缩面上的流动分离相融合,堵塞了进气道入口,三维流动特征显著。在预报进气道自起动和不起动时,应当考虑三维流动效应。逐步增大来流马赫数和逐步减小来流马赫数两种路径下,进气道存在起动迟滞现象。对于本文的进气道模型,当内收缩比增大0.2时,自起动马赫数约升高1,不起动马赫数约升高0.5,进气道的起动迟滞环变大,起动性能下降。在激波风洞中获得的进气道自起动以及起动/不起动双解区的实验结果与数值模拟相符合。     

轴对称内锥流动中马赫盘的形成与演化

针对轴对称内收缩直锥流场中的马赫反射问题，采用无黏数值模拟结合理论分析，在来流马赫数6及直锥入口半径R恒定的条件下，以模型壁面前缘角度θ_w和壁面长度w/R为几何参数，研究了内锥形激波汇聚增强过程以及马赫盘下游流动对马赫盘位置的影响。结果表明，壁面前缘角度θw通过改变轴对称内锥形入射激波汇聚增强过程中达到von Neumann强度的位置，限定了马赫盘可能存在的位置范围；马赫盘位置还受其下游流动的影响，在不同的θ_w和w/R条件下，马赫盘下游流管内声速喉道的形成机制可以划分为依赖或不依赖壁面尾缘膨胀波两种类型；对于不依赖于壁面尾缘膨胀波的情况，声速喉道形成之前流管内的压力仅与反射激波的波后非均匀压力相匹配，马赫盘的位置不随w/R而变化；对于依赖于壁面尾缘膨胀波的情况，声速喉道形成之前流管还需要匹配壁面尾缘膨胀波引起的压力变化；根据反射激波下游与马赫盘下游流管的压力匹配关系，可以求解马赫盘位置。     

设计马赫数为5的一级二元混压式进气道典型状态下气动特性

对一种设计马赫数为5的一级二元混压式进气道再入大气层过程典型状态进行了仿真和风洞试验,得到了该进气道典型状态下的气动特性.结果表明:当来流马赫数高于设计马赫数（为5）时,进气道外压斜激波系提前汇合,与唇罩入射斜激波相互作用,产生了波-波干扰;尽管发生了流动分离,但当来流马赫数为7和6时进气道出口上游气流紊流度分别不超过3.337和3.256,且流道内动态压力信号的功率谱密度呈现白噪声特征,不会对发动机造成结构损伤.因此,对于宽来流马赫数工作范围的进气道来讲,为了提供足够的流量,可以适当降低进气道的设计马赫数.      

圆柱跨声速绕流中的激波/湍流相互作用大涡模拟研究

采用大涡模拟方法研究了圆柱跨声速绕流中的激波/湍流相互作用问题,来流马赫数M∞取为0.75,基于圆柱直径D的雷诺数为2×105。计算结果表明,圆柱分离点处出现一道斜激波,并且以与涡脱泻Strouhal数一致的特征频率向上游传播。激波运动导致流场中出现反对称的流动模态,剪切层中压力信号的功率谱曲线中存在0.4、-1和-5次方的斜率关系,剪切层中的剪切应力角约为0°,脉动速度以流向脉动速度为主,并且沿剪切层的大尺度结构组织性减小。     

热化学非平衡来流条件下热化学模型影响研究

为研究热化学非平衡来流条件下热化学模型等计算设定对斜激波压缩流动计算结果的影响,针对尖劈构型和相应的前缘钝化构型的高焓激波风洞实验,采用多种计算设定开展详细的数值模拟研究。计算结果表明,计算采用不同热化学模型,以及来流设定为振动冻结/平衡/非平衡状态,会导致斜激波激波角等参数存在一定差别,其中激波角差别可达约2%。当来流速度一定时,过斜激波后分子内能增量在平动转动能和振动能上的分配方式的差别决定了激波角的差别。前缘钝化情形下,采用不同计算设定所得激波角之间的关系和尖前缘构型的规律一致;但是,采用不同计算设定所得斜激波到壁面距离之间的关系和尖前缘构型的规律有差别,这源于钝化前缘的激波脱体距离的影响。对于自由来流下的斜激波压缩流动问题,若考虑了分子振动能激发但未考虑热力学非平衡(例如热完全气体模型、考虑空气反应的单温度模型等),就斜激波激波角等参数而言,计算误差比量热完全气体模型计算误差更大。     

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...     

典型激波针减阻降热特性及流动机理

为研究激波针对超/高超声速钝头飞行器进行减阻降热的相关特性,采用数值模拟方法对6种典型激波针构型的流动特征开展系统研究。给出了激波针长度、来流马赫数对流动特征的影响规律,并对其形成机理进行了探讨。结果显示:马赫数较低时,头部有扰流物的5种激波针在回流区即将分裂时减阻率最大;马赫数较高时,减阻率在回流区分裂前后出现局部峰值,但最大减阻率将出现在回流区分裂后更长的激波针长度下。马赫数为3时,6种构型减阻率达最大时的相对长度在0.8~1.2之间,相比而言,球型、半球型和双锥型的减阻效果最好,最大减阻率为45%~50%;圆锥型最差,为20%~25%,明显低于头部有扰流物的构型。相同的激波针长度下,头部有扰流物构型的减阻率随马赫数增大而增大,圆锥型则相反。流场回流区、分离激波、弓形激波、局部膨胀流动等导致的压力分布变化是构型整体阻力变化的主要成因。      

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...     

螺旋管内超临界CO2流动方向对换热的影响

应用重正化群（RNG）k-ε湍流模型对超临界CO₂流体在内径为9 mm,有效受热长度为5.5 m,节距为32 mm,绕径为283 mm的竖直螺旋管中的加热过程开展了数值模拟。研究了质量流速、进口压力、热通量以及不同流向对超临界CO₂换热和压降的影响,并进一步分析变物性、浮升力和离心力在不同流动方向上对螺旋管中换热的耦合作用。结果表明：浮升力对超临界流体在螺旋管向上流动与向下流动的影响差别不大,而对水平流动的影响较大尤其是当流体在螺旋管的截面到入口截面的距离与管径之比为150～350之间（即临界温度附近）时,由于变物性、浮升力和离心力的耦合作用,导致水平流动方向上换热系数的震荡。     

宽速域翼尖涡及其与斜激波相互作用

针对宽速域飞行器产生的翼尖涡及其与斜激波相互作用问题,采用数值模拟方法,在来流马赫数0.2～6.0范围内,研究了翼尖涡的演化特性,并探讨了斜激波诱导翼尖涡破碎的机理。结果表明,在宽速域范围,翼尖涡的切向速度和环量分布仍然符合低速流动中的自相似关系式;在超声速至高超声速流动中,翼尖涡强度沿流向更快地减弱;当翼尖涡与斜激波相互作用时,涡核处压力越低的翼尖涡更容易破碎,而经典的涡破碎理论难以在宽速域范围内准确预测涡破碎现象;通过引入涡核处的压力亏损效应修正经典理论,大幅提升了预测斜激波诱导翼尖涡破碎的能力。     

超额定状态下二元超声速进气道的流动特性

为了揭示超额定工作状态下超声速进气道内的复杂流动机理,对一设计马赫数为2.0的二元超声速进气道开展了数值模拟研究,获得了其在不同来流马赫数状态、不同节流状态下的流场结构.结果表明:当进气道工作在额定状态时,随着节流程度的增加,其激波串的核心区由偏向下壁面摆至偏向上壁面;而在超额定状态下,由于依次受到唇罩内侧分离包、唇罩激波等的影响,激波串核心区则由偏向上壁面转而摆至偏向下壁面.在来流马赫数为2.5的节流状态下,其唇罩激波与前体斜激波相交形成了马赫杆等复杂波系结构,而来流马赫数为3.0状态却并未形成此类现象.在上述两种超额定工作状态下,前体斜激波的上透射激波均在高反压条件下演化为正激波形态,而唇罩激波的下透射激波形态也发生了明显的改变.      

高超二元曲面压缩进气道前缘激波特性分析

不同的二元进气道前缘激波压缩方式直接影响进气道性能参数,尤其是流量系数。详细分析研究了两种类型的高超二元曲面压缩进气道前缘激波随攻角和来流马赫数变化的特性。计算结果显示,对于初始楔加等熵压缩的二元曲面进气道,在给定的初始楔角下,随着进气道攻角的增大前缘激波与压缩面之间的夹角先减小后增大,随着来流马赫数的增大,前缘激波与压缩面之间的夹角减小;而对于等压力梯度分布控制的弯曲激波压缩二元曲面进气道,随着进气道攻角或来流马赫数的增加,前缘激波与压缩面间的夹角都增大。通过理论和计算分析表明,是斜激波与马赫波不同的相交模式造成了两种曲面压缩进气道的前缘激波随进气道攻角和来流马赫数变化的特性不同。      

不同反压下椭圆形隔离段流场特征与气动性能

在反压条件下,对椭圆形等直隔离段进行了全三维数值仿真研究.结果表明:在对称的几何条件和边界条件以及均匀来流条件下,当来流马赫数较小时,流场与激波串结构基本对称;当来流马赫数较大(大于2)时,流场与激波串结构出现明显不对称现象,并且随着来流马赫数增大,这种不对称现象加剧.椭圆形隔离段抗反压能力随着长短半轴比减小逐渐增强,出口马赫数和温升比基本不受长短半轴比影响.不同来流马赫数下,当隔离段承受最大反压时,出口马赫数变化不大.      

马赫数10超燃冲压发动机激波风洞实验研究

基于室温氢气驱动激波风洞实现总压28MPa、总焓4.7MJ/kg、名义马赫数10超声速空气自由来流模拟,开展二维超燃冲压发动机自由射流点火实验,实现稳定燃烧,燃烧持续时间5ms。通过此次试验,探索尝试了马赫数10超燃冲压发动机地面点火燃烧试验技术,初步获得了高马赫超燃冲压发动机点火/燃烧过程参数和基本现象规律。试验中,采用高速相机完整记录了氢气喷注、着火、燃烧现象和燃烧持续过程,采用高频压力传感器和热电偶进行沿程壁面压力和热流测量。研究结果表明,马赫数10自由来流条件下,气态氢燃料垂直喷入超声速来流能够实现自点火,并发生剧烈燃烧,燃烧区域压力上升幅度40%,壁面热流上升幅度达100%。     

绕平板上直圆柱体的高超声速湍流分离流

本文给出直圆柱上游中心线上壁面压力和热流特性及其分离激波运动的特征参数。试验条件是:自由流马赫数为7.8和5,单位长度雷诺数为3.5×10~7/米和4.7×10~7/米。结果表明:1.直圆柱上游中心线上的流场是一个有二次分离的流场,平均壁面压力分布呈双峰型,平均热流分布略有不同,出现一近似平台区,但在分离激波上游影响起始区域和直圆柱前缘邻近区域(x/D<0.5),两者变化极其相似。来流马赫数愈高,分离激波在中心线上的上游影响区长度和峰压及峰热值愈大。2.分离激波是极其不稳定的,出现大尺度低频运动,激波流向运动尺度约0.5D,振荡频率主要集中在2.5kHz以下。