带尾支杆的超声速弹丸湍流底压计算

尽管在超声速湍流情况下，尾支杆对弹丸底部压力的影响没有层流情况下的影响大。但是实验研究表明，带尾支杆的超声速弹丸湍流底部压力随湍流边界层相对厚度增加而增加，随天平尾支杆的相对直径增加而减小。本文介绍一种考虑圆柱体上边界层状态以及尾支杆对绕弹丸超声速湍流底压影响的计算方法，计算结果和实验数据吻合较好，还根据计算和实验结果分析了尾支杆对底压系数的影响。     

支杆及船尾对超声速弹丸底压影响的实验研究和理论计算

普通弹丸的底阻约占弹丸总阻的１／３。因此，准确测量底阻是准确测定弹丸总阻的关键。在超声速风洞中进行测力实验时，模型底部大都用一根天平支杆将模型支撑在风洞中。由于尾支杆的存在，使得模型底部流动发生畸变，引起底阻测量的不准确性。本文介绍了天平尾尾支杆以及模型船尾对超声速弹丸底压测量影响的实验研究和理论计算。研究表明：尾支杆直径从小到大变化时，底压经历了一个由大到小再由小到大的过程；在一定的范围内船尾起     

高超音速湍流底部热的实验研究

本文综合飞行数据和激波风洞中的实验结果,给出了一个计算湍流底部热的工程方法。该方法考虑了来流、锥角和钝度对底部热的影响。由悬挂和侧支杆模型底部热流结果的比较可以看出,在目前条件下,菱形侧支杆对底部热的影响可以略而不计。     

旋成体超声速底压特性的并行数值研究＊

作用在超声速飞行器底部的压强对飞行器设计具有十分重要的意义,因为它可能提供飞行器总阻力的一半以上。目前,底压数据的来源主要还是依靠实验。而风洞实验时支杆的存在又增加了底阻估算的困难。本文用隐式有限体积法求解轴对称ＮＳ方程,在ＰＶＭ平台下数值模拟超声速底部流场,根据底压分布计算出了底压系数。分析了网格密度,支杆直径对底压系数的影响,网格足够密时,计算结果与实验吻合较好。     

旋成体超声速底压特性的并行数值研究

作用在超声速飞行器底部的压强对飞行器设计具有十分重要的意义，因此它可能提供飞行器总阻力的一半以上。目前，底压数据的来源主要还是依靠实验。而风洞实验时支杆的存在又增加了底阻估算的困难。本文艇隐式有限体积法求解轴对称ＮＳ方程，在ＰＶＭ平台下数值模拟超声速底部流场，根据底压分布计算出了底压系数。分析了网格密度，支肝直径对底压系数的影响，网格足够密时，计算结果与实验吻合较好。     

超声速底部喷流干扰流场数值模拟

数值模拟了不同马赫数,不同喷流压比下的轴对称超声速底部喷流干扰流场,采用LU隐式算法进行数值求解并引入了Baldwin-Lomax代数湍流模型.采用分区网格将弹身与底部区域合为一个整体进行计算,得到了清晰的流场结构和弹体表面及底部的压力分布,并与试验结果进行了比较.数值模拟结果表明超声速底部喷流干扰流场结构复杂,有、无喷流时底部流场有很大不同, 喷流对底压分布有明显影响,进而对轴向力系数影响显著.     

顶部间隙对超声速膨胀器流动特性的影响

隔板与机匣之间留有间隙,间隙的存在势必会对超声速膨胀器的内部流场和总体性能产生影响,为了获得超声速膨胀器内部间隙流动的流动细节,采用三维雷诺平均Navier-Stokes方程和标准k-ε湍流模型,就顶部间隙对超声速膨胀器流动特性的影响进行了数值研究。结果表明:膨胀流道出口斜激波导致吸力面压力高于压力面,隔板尾缘附近部分泄漏流体经间隙流回压力面侧;间隙的存在导致吸力面进口及中、后部近下端壁压力上升,而压力面前缘附近压力下降,对比同一隔板位置,间隙高度每增加1%喉部高度,超声速膨胀器隔板载荷系数最高下降2.6%;端壁损失和斜激波损失降低,但产生了泄漏损失,三维流道内总的流动损失增加,膨胀器效率降低,本文研究范围内效率最多下降8.8%;马蹄涡、泄漏涡及二者之间的相互作用是顶部区域的主要涡系结构;前缘附近气流经间隙流到吸力面侧和尾缘附近泄漏流体越过间隙重新流回压力面侧是间隙内气流的主要运动形式。     

弹丸侧喷三维干扰湍流场数值模拟

为了研究弹丸侧喷复杂干扰湍流场的特性，从雷诺平均的Navier-Stokes方程出发，应用三维隐式有限体积TVD格式，在超声速和零迎角条件下，对侧喷增程无翼弹三维干扰湍流场进行了数值模拟，采用代数广泛一成了包含弹底的弹体绕流场O型网格而避免分区计算，为精确模拟侧喷口成功生成了侧喷口贴体网格，湍流模型采用高雷诺数两方程к-ε湍流模型，计算结果得到了清晰的流场波系结构，并从流场波系结构，弹体和弹底表面压力分布等角度与无侧喷流情况进行了对比与分析，表明侧喷流不仅提供增程推力，而且改变了弹丸阻力特性，其结果对于研究弹丸的火箭增程技术具的重要意义。     

尾支杆干扰非线性修正方法的初步研究

利用CFD方法，采用两套网格重叠的形成，研究了一种对尾支杆干扰进行修正的非线性方法。运用本方法，研究了尾支杆等直段长度、直升和锥角对模型气动特必的影响，了四个模有攻有时的尾支杆干扰，并对GBM－04A模型的零阻进行了尾支杆干扰的修正。     

弹丸超声速绕流的Navier-Stokes模拟

本文轴对称Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程组出发，采用高分辨率对称ＴＶＤ格式数据模拟了包括底部回流区在内的弹丸超声速绕流流场。     

超声速气流中的煤油喷雾研究

为了强化液体燃料超声速燃烧，注入的液体燃料以喷雾（Spray Atomiztion）的方式，以使加速蒸发和混合。油雾直观力像对研究喷燃烧的内部复杂现象有很大帮助。由于实验上的困难，超声速气流中的喷雾图像较为罕见。笔者给出超声速气流中显示煤油喷雾的一种简单、实用方法。实验在一直联式超声速燃烧实验装置上进行，实验结果表明，煤油射流垂直注入超声速气流产生的油雾发展过程与气体射流基本相似，喷雾穿透深度与扩张随压力雾化喷嘴的压力增加而增加。     

飞行参数对射流矢量喷管内流场影响的数值模拟

采用三维雷诺平均N-S方程和k-ε湍流模型对固体火箭发动机燃气二次喷射矢量喷管内外流场进行数值模拟,研究飞行参数对矢量喷管内主/次流耦合流场的影响。结果表明,自由来流造成喷管出口附近压力变化,通过喷管内壁面附面层作用影响喷管内部流动特性。飞行马赫数为超声速,或者环境压强较低时,侧向力大小与飞行参数无关。在低空亚声速流中,侧向力随飞行马赫数增加迅速减小,随环境压强降低而减小。     

尾缘厚度对涡轮叶栅性能影响的数值研究

采用数值模拟方法,分别通过改变亚声速和超声速叶型尾缘厚度,研究尾缘厚度变化对涡轮叶栅损失的影响,并在宽广工况范围内探讨尾缘厚度对涡轮叶栅性能影响的敏感性。结果表明:尾缘厚度对亚声速叶型的影响较小,涡轮叶栅损失随尾缘厚度的增大而增大;尾缘厚度对超声速叶型的影响较为明显,随着尾缘厚度的增大,尾缘附近的激波强度增强,叶栅通道中的损失明显增大。对于本文所研究的超声速叶型,尾缘厚度的影响在非设计攻角下不会被放大;但随着马赫数的变化,尾缘厚度的影响规律不同。     

高速风洞模型支撑方式研究

为了合理选择模型支撑形式,在高速风洞进行了直支杆与Z 支杆两种支撑形式的支架干扰研究试验。结果发现,支架对模型带来不可忽略的干扰量,两种支撑形式对升力、阻力与力矩的干扰量随迎角基本上呈线性变化;直支杆由于距离模型较近,对模型尾部带来较大的影响。而Z 支杆对模型尾部影响较小,在全机与无尾两种状态下的干扰量较为相近。     

粒子拖尾长度对高频DPIV测量误差的影响

基于连续激光源的高采样频率DPIV系统在进行曝光时可能会产生粒子拖尾现象。明渠湍流试验和数值模拟试验结果显示，粒子拖尾长度的增加会导致平均流速减小和湍流强度增大。分析表明，导致平均流速误差的原因之一是诊断窗口边缘局部粒子图像的缺失，且图像缺失程度会随着粒子拖尾长度增加而增大，从而使平均速度随粒子拖尾长度增加而减小；粒子拖尾的另一个直接后果是增大了粒子图像的有效粒径，从而导致湍流强度增大。通过增大第二个诊断窗口的尺寸，进行相关函数标准化和相关系数补偿等方法，可以消除粒子拖尾长度引起的误差。     

一种超声速射流计算方法与实验验证

高温射流流场计算是尾焰辐射目标特性计算的前提,然而由于缺少可靠实验数据,针对湍流超声速射流的数值模拟多集中于低温射流,高温射流计算与实验的对比工作还很少见。利用k-ωSST双方程湍流模型,模拟了多个典型超声速射流实验的流场速度与温度分布,通过与实验结果进行对比,建立了一种超声速射流计算方法。首先,通过对比多个低温射流的实验与计算结果,探索了湍流模型中可压缩修正以及来流湍动粘性比对超声速射流计算结果的影响;进而,针对火箭发动机尾焰实验,计算尾焰流场与流场红外辐射,流场辐射计算结果与实验观测结果符合较好,进一步验证了计算方法。最终认为经过可压缩修正的k-ωSST双方程湍流模型结合湍动粘性比取值30可以作为超声射流计算中较为典型的湍流计算方法。     

基于RANS/LES方法的超声速底部流场数值模拟

分别采用基于两方程k-ω剪切应力输运(SST)湍流模型的延迟DES(DDES)、更改的DDES(MDDES)和改进的DDES(IDDES)方法,并引入可压缩修正,结合三阶MUSCL-Roe和五阶WENO-Roe两种空间离散格式,针对超声速底部的复杂流动现象,开展了数值模拟研究。计算结果表明本文方法能够捕捉到超声速底部流动中丰富的湍流结构,通过分析计算结果对超声速底部的流动机理有了进一步的认识,为下一步的超声速底部流动减阻改进和雷诺平均NavierStokes/大涡模拟(RANS/LES)方法在非定常高可压缩性流动中的应用提供了参考。通过对比分析不同空间离散格式的计算结果研究了数值耗散对计算的影响,五阶WENO-Roe格式的计算结果与实验结果吻合良好;对不同RANS/LES混合方法的计算结果进行了对比分析,结果表明IDDES方法在近壁区的表现优于DDES和MDDES方法。     

超声速H_2/Air湍流扩散燃烧RANS数值模拟

为了研究修正的火焰面反应进度变量燃烧模型在超声速湍流扩散燃烧问题中的适用性,对德国宇航中心(DLR)超声速燃烧室开展RANS数值模拟。基于Open Foam软件平台中密度求解器分别对三维冷态场和燃烧场进行模拟分析。将网格自适应加密技术用于流场的计算;燃烧场计算中,通过分析不同压力下层流火焰面数据库,引入了反应进度变量源项的压力修正系数,压力修正系数α等于2.2。计算结果表明,冷态场中压力分布、波系分布、速度分布以及燃烧场中波系分布、速度分布、温度分布结果均与实验值符合较好。压力修正方法能够较好地解决超声速湍流扩散燃烧问题。湍流Schmidt数敏感性分析表明,湍流Schmidt数Sct对湍流火焰结构有较大影响,文中Sct等于0.7时能得到与实验值较为一致的分布。     

含喷流的尾支风洞实验模型底压计算及分析

本文简要地叙述了作者发展的基于Chapman-Korst理论的超声速底部压强计算方法及计算程序CRMBP,并用它分析了在风洞中做有关喷流的一种实验方法。这种方法用一空心通气杆穿过模型喷管支撑模型和给喷管提供高压气体,并测量底压及力。本文给出了关联有/无此通气尾支杆底压的曲线,以说明这种实验方法的适用范围。这些曲线还可用来分析和修正这种实验方法的实验数据。     

天然气预混湍流燃烧特性的实验

为了获得天然气的预混湍流燃烧特性,在湍流燃烧弹中对天然气在当量比范围为0.7～1.4、初始压力范围为0.1～0.3 MPa、初始温度范围为300～400 K、湍流强度范围为1.0～2.7 m/s条件下的预混湍流燃烧火焰发展特性进行了试验测试,并分析了当量比、湍流强度、初始温度、初始压力对天然气湍流火焰传播速度、火焰褶皱比以及湍流燃烧速度的影响。结果表明：湍流火焰传播速度随着当量比的升高先增加再降低,在当量比为1.1时达到最大,并且随湍流强度与初始温度的升高而升高,但随初始压力的升高变化不明显。火焰褶皱程度随湍流强度与初始压力的升高或当量比与初始温度的降低而逐渐增强。湍流燃烧速度随当量比的升高先升高后下降,在当量比为1.1时达到最大,并且随湍流强度、初始温度与初始压力的升高而逐渐升高。