电导率模拟对高超声速MHD控制影响

高温气体电导率是高超声速电磁流动控制数值模拟最重要的参数之一。针对电导率模拟准确性及其对高超声速磁流体控制影响的问题,考虑高超声速飞行器流场中高温气体热化学非平衡效应,采用三维低磁雷诺数磁流体动力学（MHD）数值模拟方法及程序,结合国内外常见电导率处理方法开展典型状态高超声速MHD控制数值模拟,分析电导率模拟对高超声速磁流体流场分布、气动力/热特性的影响。研究表明：磁控热流减缓效果与电导率呈非线性关系,电导率较大时将出现电导率的磁控热饱和现象,其产生的原因可能与化学反应趋向于平衡态存在一定关系;采用定电导率方法,会人为放大磁场洛仑兹力的磁阻力效果,使阻力系数的预测值偏大;不同电导率模型计算得到的电导率分布差异很大,甚至存在数量级的差别,显著影响了磁流体的控制效果,这与电导率模型的适用范围、参数选取原则存在很大关联;对于含多种离解、电离组分的高温气体流动来说,采用基于多电离组分迁移碰撞的电导率模型（本文模型M8）,计算与试验一致性最好。     

气体模型对高超声速再入钝体气动参数计算影响的研究

本文采用完全气体模型、振动激发气体模型、平衡气体模型、一温度非平衡气体模型、两温度非平衡气体模型和三温度非平衡气体模型进行了钝体高超声速绕流流场的数值计算。分析了各种气体模型对激波脱体距离、壁面热流、温度分布和密度分布等的影响。结果表明：采用两温度（或三温度）非平衡气体模型计算的激波脱体距离更接近实验情况；采用平衡气体模型计算的壁面热流量高，一温度非平衡气体模型完全非催化的壁面热流最低，而完全气体模型的壁面热流在两者之间。最后给出了各种气体模型的密度等值线比较图。     

局部催化特性差异对气动热环境影响的计算分析

高温气体非平衡效应及其壁面催化效应对高超声速飞行器气动热环境造成显著影响,是当前高超声速飞行器气动热环境预测和热防护设计的关键问题之一。考虑高温空气离解与电离等化学反应、气体分子热力学激发、流动中的非平衡效应和壁面催化效应,通过数值求解三维热化学非平衡Navier-Stokes方程和壁面处质量、能量平衡关系,完善了高温气体热化学非平衡流场有限催化气动热环境数值计算方法和计算程序,采用典型算例进行了考核验证。在此基础上,开展了不同条件下高超声速飞行器热化学非平衡流场气动热环境数值模拟,分析局部催化特性差异对气动热环境的影响。研究表明：所建立的高超声速飞行器热化学非平衡流场有限催化气动热环境数值计算方法及程序,其数值模拟结果与飞行试验、文献符合;局部催化特性差异会导致热流跳变,其热流跳变量与催化特性差异量、材料分布方式等有关;催化特性差异较大时,局部区域热流可能远远高于飞行器全表面完全催化的热流结果,此时将飞行器在全表面完全催化（FCW）和完全非催化（NCW）条件下的数值模拟结果作为实际飞行过程中表面热流的上、下限这一简化处理方式,是不可取的。     

真实气体效应下高马赫数内转进气道特性研究

为初步研究高马赫数内转进气道在真实气体效应下的工作特性,首先设计额定工作状态Ma=12的高超声速内转进气道,再结合不同气体模型对其进行数值模拟。研究结果表明:化学非平衡气体在流场结构、工作性能和气动加热方面与热完全气体较为相近,与热化学非平衡气体存在一定差别。离解反应发生在边界层内和低速涡流区内,热化学非平衡气体的离解反应程度比化学非平衡气体大。在隔离段内激波反射处,相比完全气体,化学反应气体的静温降低了2000～2500K。高热流区在上壁面喉道位置与下壁面激波反射点位置附近,温度较高的等温壁面、热化学非平衡气体均可降低壁面热流密度,不同壁面条件对隔离段出口性能参数影响较为明显。真实气体效应、壁面温度对隔离段涡流区的影响较为复杂,有待进一步研究。     

非结构网格热化学非平衡Navier-Stokes方程组求解技术研究

采用非结构混合网格数值求解三维热化学非平衡Navier-Stokes方程组获得高超声速流场各组分气动热力学参数,并计算物面热流值。利用有限速率化学反应模型和二温度气体模型分别描述化学非平衡和热力学非平衡过程,通过Park振动——离解模型刻画化学非平衡和热力学非平衡耦合效应。无黏通量项采用AUSM格式离散;对无黏通量项和源项采用隐式时间推进格式,增强数值求解过程稳定性。数值算例表明,为得到正确的物面热流值,非结构混合网格边界层y+需减小至0.5,且网格增长率不超过1.4;采用元素摩尔数守恒关系式计算化学反应源项,可有效降低数值残差积累对计算小组分气体的不利影响,提高各气体组分计算准确度。     

高温化学非平衡湍流边界层直接数值模拟

高超声速飞行器在特定工况下飞行时，其表面会存在湍流与化学非平衡耦合作用，但考虑化学反应的高温湍流边界层的研究工作还十分有限。选取高超声速楔形体头部斜激波后的流动状态，分别采用热完全气体模型、空气化学反应模型开展直接数值模拟(DNS)研究，对比分析了化学非平衡效应对湍流统计量、湍流脉动量的影响趋势，并研究了高温湍流边界层标度律。计算结果表明，以吸热离解反应为主的化学非平衡效应会使边界层平均温度和脉动温度显著降低，但对平均速度剖面、速度脉动、雷诺应力的影响较小；在高温化学非平衡湍流边界层的对数区，各流动参数的拓展自相似理论的相对标度指数基本符合标度律。     

磁控热防护系统在天地往返运载器上的应用仿真

磁控热防护技术在高超声速领域显现出广泛的应用前景。考虑高超声速流动磁流体力学控制涉及的等离子体生成机制、多电离组分导电机理以及电磁流动能量/动量输运机制,通过耦合求解电磁场泊松方程和带电磁源项的高温热化学非平衡流动控制方程组,搭建了高超声速磁控热防护数值模拟平台。结合美国航天飞机"哥伦比亚"号（OV-102）近似外形和5种磁场配置方案,较为系统地开展了磁控热防护系统在高超声速"滑翔返回式"天地往返运载器上的应用仿真研究。结果表明：搭建的磁控热防护仿真平台具备偶极子磁场、均匀磁场、螺线管磁场及多个磁场组合条件下复杂外形飞行器气动热环境数值模拟能力,其校验结果与文献或飞行试验数据符合较好;采用合适的磁场配置能有效降低航天飞机的表面热流,显著改善了航天飞机的气动热环境,典型状态的表面热流下降25%以上;局部磁场方向与流动方向的夹角,在一定程度上决定了洛伦兹力的强度和方向,对磁控效果的影响明显。     

高超声速热化学非平衡钝体绕流数值模拟

对高超声速热化学非平衡钝体绕流进行研究,发展了高温热化学非平衡条件下的高超声速气动热数值模拟方法。采用二阶精度迎风TVD格式的N-S方程有限体积法多块结构网格求解器,考虑了空气5组分及化学非平衡效应的影响,对组分生成源项及振动能源项采用了点隐式的处理,提高了计算效率。对球锥模型和RAM-CII飞行实验等算例进行了数值气动热模拟,分析了不同非平衡模型在热化学非平衡条件下流场的影响。计算结果表明建立的数值模拟方法具有较高的精度。     

辐射加热对返回舱气动热环境影响的数值研究

基于高超声速再入飞行器气动热环境预测分析的需要,建立了高温非平衡气体辐射加热对飞行器热环境影响的计算分析手段。采用数值求解化学非平衡N-S方程的方法,对返回舱绕流流场进行模拟,获得高温空气组分质量分数和温度等流场参数分布。基于辐射传输方程,考虑高温气体组分的主要辐射机制,计算分析高温流场气体辐射加热对返回舱热环境的影响。分析表明,在同一飞行弹道条件下,返回舱大底半径尺寸对气动加热的影响较大,在再入热环境严酷区,辐射加热对物面总热流的贡献达30!;产生辐射加热效应的主要机制是高温流场中O和N原子产生连续谱和线状谱以及N2的第一正带系;物面催化效应对辐射加热影响不大。     

高超声速飞行器表面温度分布与气动热耦合数值研究

针对高超声速飞行器热防护设计中的高温气体非平衡效应问题和气动热环境精确预测问题,基于流场的非平衡Navier-Stokes方程、表面的能量守恒方程和内部的热传导方程,考虑流场的非平衡效应、表面的热辐射效应、催化效应和烧蚀效应以及热防护层内部的热传导效应,建立了初步的表面温度分布与气动热的耦合计算方法,完善了高超声速飞行器气动物理流场计算软件(AEROPH_Flow)。在表面材料为碳-碳(C-C)条件下,对飞行高度为65km和飞行速度为8,10km/s的半球以及飞行高度为50km和飞行速度为8km/s的球锥模型,开展了表面温度分布与气动热的耦合计算,验证了计算方法和计算软件,分析了表面温度分布对气动热环境的影响。研究结果表明:表面温度分布对气动热的计算结果有较大影响,在气动热环境的预测中,不仅要考虑热化学非平衡效应和表面催化效应的影响,还要考虑表面温度分布的影响,最好是采用表面温度分布与气动热耦合计算的方法,以减小表面温度分布对气动热计算结果的影响。为此,需要发展完善非平衡流场/表面催化和烧蚀/热传导温度场(气/表/固)的计算模型、耦合求解技术和计算软件,实现对高超声速飞行器的真实飞行条件下高温气体非平衡效应和气动热环境的精确模拟。     

三维等离子体MHD气动热环境数值模拟

电磁流动控制技术是一个多学科交叉融合的重要研究方向,在高超声速飞行器气动特性优化、气动热环境减缓、边界层转捩和等离子体分布等流动控制方面显示出广阔的应用前景。考虑高超声速飞行器绕流流场中发生的离解、复合、电离和置换等化学反应,气体分子振动能激发以及化学非平衡效应,耦合电磁场作用并基于低磁雷诺数假设,通过数值模拟求解三维非平衡Navier-Stokes流场控制方程和Maxwell电磁场控制方程,建立磁场与三维等离子体流场耦合数值模拟方法及程序,采用典型算例进行考核。在此基础上,开展不同条件下磁场对再入三维等离子体流场以及气动热环境影响分析。研究表明:建立的高超声速飞行器的等离子体流场与磁场耦合计算方法及程序,其数值模拟结果与文献符合,外加磁场使飞行器头部弓形激波外推,磁场强度越强,激波面外推距离越大;不同磁场强度环境下,流场中温度峰值大小略有变化,变化幅度较小;磁场对绝大部分区域的热流有减缓作用,作用的大小与飞行高度、马赫数以及磁场的配置紧密相关;当前的计算条件下,飞行的高度越高,磁场的作用越明显。     

Influence of non-equilibrium reactions on the optimization of aerothrust aeroassisted maneuver with orbital change

The spaceplane is perspective vehicle due to wide maneuverability in comparison with a space capsule. Its maneuverability is expressed by the larger flight range and also by a possibility to rotate orbital inclination in the atmosphere by the aerodynamic and thrust forces. Orbital plane atmospheric rotation maneuvers can significantly reduce fuel costs compared to rocket-dynamic non-coplanar maneuver. However, this maneuver occurs at Mach numbers about 25, and such velocities lead to non-equilibrium chemical reactions in the shock wave. Such reactions change a physicochemical air property, and it affects aerodynamic coefficients. This paper investigates the influence of non-equilibrium reactions on the aerothrust aeroassisted maneuver with orbital change. The approach is to solve an optimization problem using the differential evolution algorithm with a temperature limitation. The spaceplane aerodynamic coefficients are determined by the numerical solution of the Reynolds-averaged Navier-Stokes equations. The aerodynamic calculations are conducted for the cases of perfect and non-equilibrium gases. A comparison of optimal trajectories, control laws, and fuel costs is made between models of perfect and non-equilibrium gases. The effect of a chemically reacting gas on the finite parameters is also evaluated using control laws obtained for a perfect gas.     

High-temperature gas effects on aerodynamic characteristics of waverider

This paper focuses on the analysis of high-temperature effect on a conical waverider and it is a typical configuration of near space vehicles. Two different gas models are used in the numerical simulations, namely the thermochemical non-equilibrium and perfect gas models. The non-equilibrium flow simulations are conducted with the usage of the parallel non-equilibrium program developed by the authors while the perfect gas flow simulations are carried out with the commercial software Fluent. The non-equilibrium code is validated with experimental results and grid sensitivity analysis is performed as well. Then, numerical simulations of the flow around the conical waverider with the two gas models are conducted. In the results, differences in the flow structures as well as aerodynamic performances of the conical waverider are compared. It is found that the thermochemical non-equilibrium effect is significant mainly near the windward boundary layer at the tail of the waverider, and the non-equilibrium influence makes the pressure center move forward to about 0.57% of the whole craft’s length at the altitude of 60 km.     

翼型湿空气非平衡凝结流动的数值研究

 湿空气非平衡凝结会对机翼的气动特性造成显著影响。通过对Fluent软件进行二次开发,发展了一种求解湿空气非平衡凝结流动的数值方法并进行了验证。对NACA0012翼型在迎角为0°和1.5°时的湿空气非平衡凝结流动进行了分析。结果表明：与干空气流动相比,在30％～70％相对湿度范围内,湿空气非平衡凝结流动中升力系数显著降低,而阻力系数则可能增加或减小;0°迎角条件下,压差阻力系数最大增加了68.3％;在迎角为1.5°时,升力系数最大减小39.8％,而压差阻力系数最大减小了34.8％。造成翼型气动特性显著变化的原因在于：湿空气中水蒸气凝结放热对跨声速气流加热,导致翼型表面附近的流速、压力与流场结构发生了显著变化。     

高马赫数下横/逆向喷流干扰流场数值研究

横向喷流和逆向喷流广泛用于高超声速飞行器气动力与气动热控制。采用格心型非结构有限体积法求解基于三温度热化学非平衡模型的全Navier-Stokes方程,对高空、高马赫数来流条件下二维圆柱状构型飞行器的喷流干扰流场进行数值模拟,研究了仅存在横向或逆向喷流以及横/逆向喷流同时存在时的复杂流场结构以及喷流降低热流、减阻、改善升力的具体效果。通过控制变量的方法,探究了不同参数（马赫数、静压）的喷流对流场结构及飞行器的气动力、气动热的影响规律。结果表明：在一定条件下,当逆向喷流与横向喷流同时存在时,下游的横向喷流可以影响到上游的逆向喷流流场结构;逆向喷流可以显著减小高超飞行器阻力,并降低头部壁面热流峰值,而横向喷流对高超飞行器的升力特性有一定提高;在横向喷流已用于飞行器姿态控制的情况下,一定条件下可以同时使用逆向喷流,既可以减阻、又可以降低热流峰值,还可以提升升力。