基于面元法的栅格翼翼身组合体高超声速气动特性研究

栅格翼是由外部框架和内部栅格布置形成的空间多升力面系统,其在高超声速状态具有突出优点。文中结合高超声速流动特点,考虑头部激波及弹身上洗干扰,基于面元法建立栅格翼翼身组合体高超声速气动特性计算模型,根据研究对象特点自动划分面元,进而完成典型栅格翼翼身组合体高超声速气动特性计算,并与数值计算结果进行对比分析。结果表明,在研究范围内,栅格翼翼身组合体高超声速气动特性面元法计算结果与数值计算结果吻合较好,前者较后者相对误差绝对值随攻角增加而增大。     

光子晶体热控结构防护性能研究

光子晶体在红外波段同时具有高反射率和高辐射率,可作为高超声速飞行器的防热材料。文章利用FLUENT软件和辐射模型中的离散坐标算法对有/无光子晶体防热层结构进行了气动加热数值模拟计算,得到了在不同热流密度条件下基体的温度分布;通过计算结果的对比发现,采用光子晶体防热层结构使基体温度下降约360～515 K,具有良好的热控性能。光子晶体是一种具有广阔应用前景的热防护材料,作为高超声速飞行器的防热层结构的可行性与有效性还有待深入研究。     

液体推进剂火箭爆炸辐射效应研究

本文提出了液体双组元推进剂火箭爆炸热辐射效应理论计算模型，并介绍了四氧化二氮／偏二甲肼推进剂爆炸实验研究结果。利用该理论模型计算了液体推进剂火箭爆炸时产生的火球直径，火球温度，火球持续时间，火球漂移，火球辐射热流，高空环境对火球尺寸的影响，火球热辐射破坏危险距离等。理论计算结果与实验测量结果吻合。该理论计算模型可为载人航天器逃逸系统工程设计和航天靶场建设提供有价值的理论分析数据     

非结构网格高超声速MHD流场逆风格式数值模拟

应用逆风通量分裂格式在非结构混合网格上对二维高超声速理想磁流体绕钝头体的流场进行了数值模拟。控制方程为Euler方程耦合Maxwell方程的理想MHD方程,空间离散采用AUSM格式,时间推进采用显式5步Runge-Kutta格式。引用双曲型散度清除技术加强·Ｂ＝0的条件。计算模型为二维钝头体,在高超声速来流条件下,对不同磁感应强度的均匀分布磁场干扰下的流场进行了计算,得到了较满意的结果,并与有限的参考文献进行了对比。结果表明本文发展的方法可用于高超声速MHD方程的求解。     

高超声速钝体尾流的积分电子密度与尺寸度律

本文提出了一个高超声速非烧蚀钝体化学非平衡尾流流场的简化模型和简化的空气化学模型。应用该模型计算尾流的积分电子密度。计算结果与实验数据符合得很好。在此基础上,以P_∞D_N=375mmHg·mm为例,初步论证了尾流双尺度律的适用程度与范围,为弹道靶模型实验提供正确的导向。     

基于分数阶三参数模型的HTPB推进剂粘弹性力学响应分析

为拓展分数阶粘弹性模型在端羟基聚丁二烯(HTPB)推进剂中的应用,研究分数阶粘弹性模型预示推进剂频域下的动态模量变化。推导了三维下的分数阶三参数模型,并结合Grünwald-Letnikov定义编写UMAT子程序。为标定本构参数,推导了带有预加载的蠕变、松弛响应的解析解,并采用遗传算法分别标定了0.4 MPa和0.6 MPa应力下蠕变实验以及10%和30%应变下松弛实验的本构参数。计算得到的有限元数值与解析解、解析解与实验值的时程相对误差均小于5%。采用分数阶三参数模型动态模量对-5、25、60℃下的动态力学实验(DMA)结果进行拟合得到本构参数,动态模量与实验结果误差小于2%,同时随着温度升高,本构参数均减小,体现出HTPB推进剂升温软化现象。结果表明,分数阶三参数模型能精确地描述不同温度下多种频率的HTPB推进剂模量变化,结合二次开发本构,可为后续HTPB推进剂复杂边界下的力学响应的研究提供材料本构模型。     

可压缩性修正湍流模型的高超声速飞行器流场模拟研究

采用经可压缩修正后的标准k-ε湍流模型对一类高超声速飞行器模型的气动特性进行了研究。计算中主要考虑了马赫数和飞行攻角的影响。计算结果表明,通过可压缩性修正,标准k-ε湍流模型能准确捕捉激波结构和复杂的压力变化规律;在激波系和预压缩面间构成的流动域内形成了高压均匀流动,实现了飞行器设计目标;在激波结构和激波发展趋势方面,计算结果和实验数据符合得很好,而两者在前体预压缩面上的压比值方面略有差异;经可压缩性修正后湍流模型的计算结果要明显优于原始湍流模型,可作为高超声速气动计算的有效方法。     

吸气式高超声速飞行器助推-巡航轨迹优化

针对吸气式高超声速巡航飞行器建立了纵向平面内的二维轨迹优化模型(包括火箭助推段和吸气式飞行段),其中大气模型、气动力模型和发动机模型均建立了比较详细的模型,能够比较全面、准确地描述吸气式高超声速巡航飞行器的特征;基于配点法建立了适用于高超声速巡航飞行器助推-巡航轨迹优化的方法,在求解非线性规划时引入了规范化处理、稀疏分析和偏导数计算方法等,以提高优化效率;对吸气式高超声速飞行器助推-巡航轨迹进行了优化研究,分析了典型设计参数变化对最优轨迹的影响。仿真结果表明:所建立的方法能够快速、高精度求解吸气式高超声速巡航飞行器轨迹优化问题,并且能够方便地分析设计参数变化对最优轨迹的影响,可用于吸气式高超声速飞行器飞行剖面设计与优化。     

SST二方程湍流模型在高超声速绕流中的可压缩修正

为模拟高速可压缩湍流问题,对剪应力输运（SST）湍流模型进行了可压缩修正。数值格式采用改进的总变差减小（TVD）格式,并对湍流模型的负值强制项进行了隠式处理。在此基础上计算了绕平板以及基本无分离和具有分离流动结构的压缩拐角的高超声速流动。计算结果和实验数据及半经验公式的对比表明：SST湍流模型的可压缩影响项为密度加权脉动速度的平均与压力梯度的标量乘积。经可压缩修正后的SST湍流模型与原模型及其它可压缩修正模型相比,所计算的壁面压力、摩擦阻力和壁面热流分布具有更高的精度。     

高超声速飞行器外形热流密度分布计算的高精度方法研究

为提高高超声速条件下飞行器表面热环境的计算精度,发展了高精度算法WCNS-E-5,并开展了热流密度分布的数值计算研究.该算法采用的是五阶精度加权显式非线性格式,结合四阶精度的二阶偏导数差分近似、四阶精度的边界格式,同时还对网格偏导数及温度梯度也离散为四阶精度.通过求解三维Navier-Stokes方程,数值研究了高超声速飞行器外形如钝锥和双椭球体的物面热流密度分布.模拟结果表明,这种保证全流场高精度的WCNS-E-5得到的流场图像清晰、真实.与通常的二阶算法MUSCL对比,WCNS-E-5具有更高的流线分辨率,获得的热流密度更接近于实验测得分布.     

气体辐射与流场耦合对火星进入热环境影响

采用火星大气物理化学模型,求解带辐射源项的三维热化学非平衡N S方程,对探路者号火星探测器进入过程中的高温流场和热环境进行了数值模拟,分析了气体辐射与非平衡流场耦合效应对流场和热流的影响。结果表明：1)探路者号火星探测器流场热化学非平衡效应显著,CO 2 气体发生大规模离解,高度低至 28.5 km 仍存在热力学非平衡效应;2)热力学与化学非平衡效应的影响均与表面催化特性相关,完全催化热流要高于完全非催化热流50%以上;3)高温流场中的CO组分会产生较强的气体辐射加热,辐射热流与对流热流的比值为15%～45%,靠近肩部区域比值最大;4)气体辐射对非平衡流场的冷却效应使激波脱体距离减小;与非耦合方法相比,采用耦合方法得到的辐射热流降低约12%～25%。     

高超声速气流非结构化网格DSMC算法研究

高超声速气动热力学环境的研究是直接涉及飞行器轨道控制、热防护设计的关键问题之一。文章通过研究稀薄气体热化学非平衡态中的热力学环境,采用非结构化DSMC程序对“火星探路者号”（Mars Pathfinder）探测器的Ballute减速装置在地球大气层和火星大气层中的高超声速飞行进行了数值模拟,计算得到了流场的温度分布、探测器壁面的热流密度分布,分析表明稀薄气体热化学非平衡态对飞行器流场有影响。将仿真结果与NASA兰利研究中心的计算结果作了比较,二者吻合很好。研究结果可用于飞行器热防护设计。     

The turbulent combustion of a propane-air mixture

This paper models the combustion of a turbulent homogeneous mixture of propane and air within a duct having a stationary one-dimensional mean flow. The Bray-Moss model is applied to the closure of the chemical production terms, using a probability density function (pdf) of the temperature which is chosen as the characteristic variable. Under the conditions chosen for the study, chemical kinetic factors are important and the conventional assumption, that heat release is controlled by turbulent mixing, is not valid. The chemical model of Edelman and Fortune for the combustion of hydrocarbons is used and simplifying assumptions are made which reduce the systems of unknowns to that of the temperature alone. This leads to the introduction of two chemical production terms which are defined respectively in a “delay zone”, where the heat release is modest, and a “combustion zone”. The required equations for the Favre-averaged temperature, turbulence kinetic energy and the mean square fluctuation of the temperature are solved numerically. In the delay zone, a comparison is made between a second order Borghi type closure and the pdf closure. Good agreement is found in the case of relatively small turbulence intensity. It is shown that the pdf formulation does not require the two zones to be spatially distinct. Differing chemical source terms can be discriminated instantaneously by the reaction progress variable and contributions to the average production terms appropriately apportioned by its pdf. Predictions are made of the profiles of mean temperature and mean square fluctuation under different initial turbulence levels.     

固体运载火箭级间热分离仿真气体模型研究

目前,计算流体力学和飞行力学耦合仿真是模拟运载火箭级间分离较为流行的方法,而发动机内外流动建模则是运用该方法的关键。工程上,常用的方法是将发动机燃气与外部大气当作同一种气体组分处理,未考虑内外流动的多组分与燃烧效应。分析了化学非平衡流模型、双组分气体模型和常规单组分气体模型在火箭级间热分离流场计算中的适用性。化学非平衡流模型由于过高的计算消耗,不适用于火箭研制工程中大规模的参数化研究。而热化学等级较低的双组分气体和单组分气体模型由于计算量较低,具有较好的工程适用性。双组分气体模型计入了火箭燃气的特性,计算消耗远低于化学非平衡计算,且能够较好地预测火箭级间段的流动分离,在计算效率和计算保真度之间做出了较好的平衡,未来在工程研究中有较大的应用潜力。     

喷管尺寸对电弧风洞流场和热环境的影响分析

为获得电弧风洞喷管尺寸对试验流场以及模型表面热流的影响规律,针对某特定模拟参数试验状态,采用高焓流动数值模拟方法对不同尺寸锥形喷管下的球柱校核模型试验流场进行了模拟和比较分析。研究发现,在模拟气流焓值和模型驻点热流的条件下,采用出口尺寸小的喷管所需电弧加热功率更低,同时单位流向截面上气流能量转化为模型驻点气动热的比例更低。不同喷管出口尺寸下,试验流场喷管出口区域热力学非平衡程度、波后氧原子质量分数、模型驻点区域压力以及表面传导热流和扩散热流占比都比较接近,但相较飞行状态存在明显差异;不同喷管出口尺寸下来流速度、激波脱体距离以及驻点线上平动温度之间的差异明显,喷管出口尺寸越大,其与飞行状态越接近。     

化学模型对数值模拟等离子体流动的影响研究

针对典型再入飞行试验条件,基于求解化学非平衡N-S方程的数值方法,对再入体非平衡等离子体绕流进行数值模拟,比较分析了两种典型化学模型对电子数密度数值模拟结果的影响。研究发现,7组分化学模型的电子数密度模拟结果具有较好的一致性,而11组分化学模型的数值模拟结果则存在较大差异,产生差异的主要机制在于不同模型中氧原子的电离效应,总体上Park模型的数值模拟结果与飞行测量结果具有较好的一致性。     

化学非平衡效应对返回舱气动特性的影响分析

航天器返回舱再入过程中,高马赫数造成激波层内气体温度急剧升高,由此导致的化学非平衡效应对返回舱气动特性将产生显著影响。而飞行高度和速度的变化影响着化学非平衡过程,进而改变对飞行器气动特性的影响程度。文章通过求解三维Navier-Stokes流体动力学方程,利用耦合化学反应动力学模型对返回舱再入开展数值研究与机理分析,获得量热完全气体模型和化学非平衡气体模型的气动力预测值,分析飞行条件变化时化学非平衡效应对气动特性的影响规律。根据Apollo返回舱的AS-202飞行试验数据验证了计算模型与数值方法。对返回舱的模拟结果表明,高度不变、马赫数增大时,完全气体模型的气动特性预测值不变,化学非平衡效应影响下的轴向力系数、法向力系数和俯仰力矩系数与完全气体预测值的偏差均增大,化学非平衡效应增强;马赫数不变、高度增大时,化学非平衡效应造成的气动力预测值偏差也增大,配平攻角差值略有增加,化学非平衡效应同样增强。机理分析发现,飞行条件变化所造成的化学非平衡流场和压力分布变化是影响气动力变化的主要原因。     

MMH/NTO双组元自燃推进剂反应机理简化

采用反应流分析结合灵敏度分析的简化方法,对MMH/NTO详细燃烧化学反应机理进行了简化,获得包含25个组分和43个基元反应的MMH/NTO简化反应动力学模型.并从着火延迟时间和燃烧火焰温度两方面,通过对比理论结果、详细机理和简化机理预测结果,在较宽范围参数内对简化机理进行了验证.验证结果表明简化机理和详细机理预测的MM...     

火星探测器表面材料催化特性数值模拟研究

针对火星探测器高超声速进入过程中的表面材料催化作用及其对气动热环境影响这一问题,建立了变壁面温度的火星大气表面材料催化作用模型,并基于火星大气物理化学模型和求解三维热化学非平衡N-S方程的数值方法,对典型火星探测器防热大底进行了数值模拟,获得了不同催化特性下的高超声速非平衡流场和气动热数据,分析了表面材料催化特性对气动热环境影响的规律性。研究结果表明：表面催化特性对壁面附近组分分布影响很大,催化反应进程主要受O原子浓度限制;有限催化热流随催化效率增大而增大,完全催化峰值热流比催化效率为1的有限催化峰值热流高25%~64%;表面温度随催化特性的变化规律与热流变化规律类似。有限催化模型能根据表面材料的催化特性精细化预测表面热流和温度,为防热设计提供更精确合理的参考标准。     

用详细化学动力学机理模拟固体推进剂组分燃烧的研究进展

针对未来固体推进剂燃烧模型的发展趋势,综述了近年来国外以详细化学动力学机理为基础建立的固体推进剂燃烧模型,并介绍了相关的理论公式和数值求解方法。模型可计算的燃烧特性参数包括燃速、压强指数、燃速温度系数、物种曲线、温度曲线、表面温度和火焰温度等。目前,模型已涉及到的物质包括硝胺类(RDX,HMX,CL-20,HNF)、叠氮类(GAP,BAMO,AMMO)、硝酸酯类(NG,NC,BTTN,TMETN,DEGDN)和硝酸盐类(ADN,AN)等。模型计算结果表明,预测的燃烧特性值与实验值比较一致,证明该机理可预测先进固体推进剂的燃烧特性和指导配方设计。但目前该类模型的主要局限是凝聚相内化学反应路径和反应速率以及凝聚相初生物种的确定问题。