超声速欠膨胀喷流噪声数值模拟研究

本文采用LES/FW-H混合算法开展超声速欠膨胀喷流噪声模拟,研究了欠膨胀状态下喷流流场与声场特征,发现欠膨胀喷流核心区下游平均流向速度衰减较理想膨胀喷流减缓,而湍流速度脉动值增大。此外,欠膨胀喷流中激波波系/喷流剪切层干扰增大了作用点附近的高频和低频压强脉动值,其辐射的宽频激波噪声增强了侧向与上游方向的高频噪声。通过分解近场声场,并结合激波波系的捕捉结果,详细给出了激波泄漏产生宽频激波噪声的过程,揭示了宽频激波噪声的产生机理。     

超声速理想膨胀喷流噪声的大涡模拟

为探究亚格子模型和热效应对超声速喷流流场与声场的影响规律,采用LES/FW-H混合算法对超声速理想膨胀喷流开展了数值模拟参数研究。首先,通过对比数值模拟与实验数据详细验证了LES/FW-H混合算法的可靠性,并结合Tam相似谱理论确定了实验与数值模拟中声场出现偏差的原因在于实验中存在宽频激波噪声。之后,讨论了亚格子模型对流场平均量、湍流统计量和噪声特征的影响,数据对比表明动态Smagorinsky模型的模拟结果与隐式亚格子模型的结果一致,且均与已有实验和数值模拟结果相符;而采用常系数Smagorinsky模型将导致流场和声场结果出现明显偏差。最后,通过改变喷流出口总温研究了热效应对超声速理想膨胀喷流流场与声场的影响,研究发现喷流总温升高增大了无量纲的高频流向速度脉动,同时对远场高频噪声具有显著的增强效应。     

喷流模拟方法研究

本文以喷流流动特性及超声速喷流形状为基础，结合美国的喷流模拟研究成果，提出了喷流模拟方法为：喷流边界（形状）模拟；喷流引射能力模拟。     

侧向喷流的一种负效应

本文在实验基础上，指出了侧向喷流与主流在相互作用中存在的负效应现象。负效应是由于喷流柱的堵塞效应，使得主流的喷流柱下游形成了一个低压区，该低压区贡献了一种与喷流推力相反的作用。负效应的存在严重影响了喷流作用效率，本文就削弱负效应现象对喷口设置提出了一个技术构想。     

超声速逆向喷流的减阻与降热

利用流动控制技术改变流场结构的方法,对逆向冷喷流将激波推离物体表面以达到减阻减热的效果,进行了数值模拟计算。通过计算给出了钝头体在超声速流场中有无逆向喷流的压力场和温度场的比较,结果表明,逆向喷流对钝头体表面的减阻和减热起到了明显的作用。     

侧向控制喷流干扰流场特性数值研究

侧向喷流是导弹在中高空进行姿态控制的重要手段.本文用数值方法求解N-S方程,模拟了二种带侧向喷流控制的喷流与绕流的干扰流场.通过定性流场结构和物面压力分布与实验结果的比较,数值模拟能较好地模拟侧向喷流与外流干扰产生的复杂流场特性.给出了合理的流场结构和干扰气动力特性,表明数值方法可以作为型号侧向喷流控制设计的研究手段.     

喷流控制飞行器气动参数辨识方法研究

研究了喷流控制飞行器的气动建模与参数估计方法,以某飞船返回舱飞行试验为例,通过辨识得到了返回舱再入过程中的气动导数、喷流力矩放大系数等重要气动参数。该方法是研究喷流干扰效应的一种有效途径,辨识结果有助于提高返回舱姿态控制的准确度。     

超声速主流中逆向喷流流场的数值模拟

本文在差分格式NND-2基础上^[1]，提出了一个修正格式，形式简单，应用方便。从薄层近似的NS方程出发，用该格式计算了超声速主流中存在逆向喷流的钝体绕流的粘性流场，成功地捕捉到流场内的各种波系和涡系结构。计算的结果与文献[2]中的实验结果比较表明二者符合很好。     

超声速主流中横向喷流干扰流场数值模拟

本文用二阶迎风 TVD格式求解层流 N- S方程 ,数值模拟了超声速主流与横向喷流相互作用复杂干扰流场 ,得到了合理的涡系结构 ,计算波系结构及沿物面压力分布也与实验结果一致。计算还表明 ,TVD格式不但具有较强的捕捉激波的能力 ,而且用来模拟复杂涡系结构也是有效的     

喷管间距对双喷流啸音影响的实验

实验详细测量了完全膨胀马赫数范围为110~160、喷管间距为16到32倍喷管出口直径的超声速双喷流近声场,分析了两个喷流各自发出的啸音在近声场的相位关系,研究了喷管间距对双喷流耦合的影响。结果表明:对比单喷流,双喷流耦合啸音在A模态时,呈现出反对称或对称模式,在反对称模式下,喷管中间区域啸音强度减小,对称模式下,双喷流中间区域啸音强度略大于单喷流啸音;B模态时,两个处于摆动模态的喷流啸音在喷管中间区域同相而发生耦合,极大地增强了B模态的幅值,达到160dB;C模态的相位关系还需进一步研究。对比不同喷管间距下的双喷流近声场,发现喷管间距过小或过大均不利于B模态的耦合;喷管间距对C模态影响最大,当喷管间距变大时,C模态幅值及主导马赫数范围均增大。      

超声速欠膨胀冲击射流的数值模拟

利用有限体积法对轴对称可压缩的N－S方程进行离散，对喷嘴的超声速垂直冲击射流进行了数值模拟，网格的划分采用非结构性网络，得到详细的波系结构，激波形状和位置与实验相吻俣，大压比下，壁面上冲击中心区域压力相对低，分布较平坦，压力最大点所在位置偏离中心冲击点，并且在近壁处有回流。     

Experimental investigation on a cavity-step-actuated supersonic oscillating jet

Wind tunnel testing is conducted at different back pressures in a vacuum-type wind tun-nel for a novel supersonic fluidic oscillator which consists of a two-dimensional Laval nozzle, a rect-angular cavity and a backward step, to obtain its characteristics and the conditions for jet oscillating. The experimental results show that periodic asymmetrical flipping of the supersonic jet appears over certain nozzle pressure ratio (NPR) range according to schlieren visualization and pressure fluctuations. The jet flipping appears only when the jet is over expanded. The normal-ized average amplitude of the lateral pressure difference acting on the roofs of the cavity and the step varies around 0.2 while the periodic flipping appears. The supersonic jet periodic flipping fre-quencies obtained from the experiments agree well with those from the modified Rossiter mode for cavity-step acoustic resonance, but further investigations are needed to discover the underlying mechanism for the jet flipping.     

超声速射流离散频率噪声的屏蔽抑制及对流动的影响

根据对超声速射流离散频率噪声产生的反馈机理的认识,提出了一种能够有效地破坏反馈环的形成,从而抑制射流离散频率噪声的喷嘴屏蔽方法.这种方法是通过阻隔反馈声波使其不能到达喷嘴唇口、同时屏蔽物不与射流接触来实现降噪的目的.实验结果表明,对于合适的屏蔽罩参数,正常降噪效果可达5分贝以上.应用激光多普勒测速技术测量了超声速自由射流在采取屏蔽降噪措施前后轴线速度的分布,发现屏蔽后射流势核长度增加近50%,表明这种降噪方法有助于射流推力的提高,但不利于射流的掺混.     

超声速弱欠膨胀冲击射流流场结构

为了对超声速弱欠膨胀冲击射流的流场结构细节进行研究,使用大涡模拟方法对其进行了数值模拟。利用三阶迎风和四阶对称紧致格式对无量纲化轴对称可压缩滤波N-S方程进行空间离散,时间上推进采用的是三阶精度的TVD型Rugge-kutta法。亚格子尺度模型采用的是修正Sm agorinsky涡粘性模型。通过与经典的冲击射流实验比较,证明了程序的可靠性。数值模拟得到了剪切层以及壁面射流中的涡结构和主射流中的激波结构,并且在此基础上对涡合并和板前激波和涡干扰现象进行了深入研究。发现涡合并现象主要出现在流场的上游,越往下游出现的几率越小;涡和板前激波的相互作用会引起激波位置和强度以及冲击平板上冲击区的压强的显著变化,同时也会导致涡的变形。     

超声速欠膨胀冲击射流流场振荡的数值模拟

为了研究超声速欠膨胀冲击射流自激振荡与喷嘴进出口压比的关系,对轴对称冲击射流进行了数值模拟,计算中采用了雷诺应力模型。结果发现:当喷嘴压比较小时,流场振荡随喷嘴压比的增大而加剧。当压比处于某一范围内时,流场振幅最大,振荡最剧烈。随着压比的继续增大,流场振幅又减小。流场振幅随喷嘴压比的变化与冲击单音强度随喷嘴进出口压比的变化相似,说明流场振荡与冲击单音有内在的关联。     

Bayesian uncertainty analysis of SA turbulence model for supersonic jet interaction simulations

The Reynolds Averaged Navier-Stokes(RANS) models are still the workhorse in current engineering applications due to its high efficiency and robustness. However, the closure coefficients of RANS turbulence models are determined by model builders according to some simple fundamental flows, and the suggested values may not be applicable to complex flows, especially supersonic jet interaction flow. In this work, the Bayesian method is employed to recalibrate the closure coefficients of Spalart-Allma...     

弹头外形不同尺度模型对二维射流流场的影响

超声速射流装置能很好地模拟榴弹引信发电机飞行时大气环境的工况，并成为地面考核和验收必不可少的设备。从二维轴对称N-S方程出发，利用二阶精度有限体积法和S-A湍流模型，对超声速射流装置的自由射流流场以及不同模型尺寸对超声速流场结构的影响进行了模拟计算。给出了激波与射流边界之间复杂干扰流场结构图，结果证明不同模型的尺寸对超声速射流流场有较大的影响。     

推力器射流动压分布检测与分析

采用自行设计的动压探针,测量了大气压和真空环境下冷态氮气自由/冲击射流动压分布,以及真空环境下氮/氢混合气电弧加热推力器羽流的动压分布。将动压径向分布积分所得结果与冲击平板法间接测得的推力值做了比较。结果表明,大气压环境下测得的冷态氮气自由/冲击射流动压分布呈现明显的亚声速流动的特点,真空环境下测得的冷态射流动压显示有波系存在的超声速流动状态;而氮/氢混合气电弧加热推力器羽流的动压分布中看不出羽流中明显的激波存在。在一定条件下,即在较高马赫数的超声速射流中,探针不影响气流在喷管内的膨胀过程,以及羽流速度和密度没有过分降低的区间内,动压探针测量数据径向积分的结果可以代表电弧加热推力器的推力。     

Characteristics of pulsed plasma synthetic jet and its control effect on supersonic flow

The plasma synthetic jet is a novel flow control approach which is currently being studied. In this paper its characteristic and control effect on supersonic flow is investigated both experimentally and numerically. In the experiment, the formation of plasma synthetic jet and its propagation velocity in quiescent air are recorded and calculated with time resolved schlieren method. The jet velocity is up to 100 m/s and no remarkable difference has been found after changing discharge parameters. When applied in Mach 2 supersonic flow, an obvious shockwave can be observed. In the modeling of electrical heating, the arc domain is not defined as an initial condition with fixed temperature or pressure, but a source term with time-varying input power density, which is expected to better describe the influence of heating process. Velocity variation with different heating efficiencies is presented and discussed and a peak velocity of 850 m/s is achieved in still air with heating power density of 5.0 · 1012W/m3. For more details on the interaction between plasma synthetic jet and supersonic flow, the plasma synthetic jet induced shockwave and the disturbances in the boundary layer are numerically researched. All the results have demonstrated the control authority of plasma synthetic jet onto supersonic flow.