A quasi-one-dimensional model for hypersonic reactive flow along the stagnation streamline

This study proposes a quasi-one-dimensional model to predict the chemical non-equilibrium flow along the stagnation streamline of hypersonic flow past a blunt body. The model solves reduced equations along the stagnation streamline and predicts nearly identical results as the numerical solution of the full-field Navier-Stokes equations. The high efficiency of this model makes it useful to investigate the overall quantitative behavior of related physical-chemical phenomena. In this paper two important properties of hypersonic flow, shock stand-off distance and oxygen disso-ciation, are studied using the quasi-one-dimensional model with the ideal dissociating gas model. It is found that the shock stand-off distance is affected by both chemical and thermal non-equilibrium. The shock stand-off distance will increase when the flow conditions are changed from equilibrium to non-equilibrium, because the average density of the shock-compressed gas will decrease as a result of the increase in translational energy. For oxygen dissociation, the maximum value of its dis-sociation degree along the stagnation line varies with the flight altitude. It is increased at first and decreased thereafter with the altitude, which is due to the combination effect of the equilibrium shift and chemical non-equilibrium relaxation. The overall variation of the maximum dissociation is then plotted in the speed and altitude coordinates as a reference for engineering application.     

稀薄流热化学非平衡效应的DSMC研究

以钝体绕流驻点线流场为例，应用直接仿真蒙特卡罗法，模拟了五组元混合气体（Ｎ２，Ｏ２，Ｎ，Ｏ，ＮＯ）中的碰撞能松弛，离散反应，交换反应及复合反应，给出了碰撞分子各自由度间的能量交换模式及各类化学反应的选择模式。ＤＳＭＣ仿真结果与宏观粘性激波层方程计算结果，在飞行高度较低时基本相符，表明采用的热化学非平衡非模式是令人满意的，随着飞行高度增高稀薄气体效应增大，二者在激波附近有显著差异，表明高空飞行必须考     

二维可压缩Euler方程组的SUPG有限元数值解

本文在文献[1]的基础上,构造了二维非定常可压缩Euler方程组的SUPG变分方程组。文中对由文献[1]提出的预估——校正算法作了分析,并用该算法对变分方程组进行解算,所做算例分别为:无粘性激波在固壁上的反射、零攻角10％抛物翼型亚、跨声速绕流、带攻角NACA 0012翼型跨声速绕流,取得了较好的数值结果。     

均匀磁场中高超声速弱电离气体流动数值模拟

采用7组元化学模型并应用组分公式计算电导率,通过求解黏性MHD(magneto-hydro-dy-namics)方程组,研究了不同强度均匀磁场对三维钝头体高超声速绕流化学非平衡流动的影响.结果表明,随着磁场的增强,激波脱体距离逐渐增加;总阻力系数和壁面温度逐渐减小.在B_y=0.03 T磁场作用下,与无磁场的结果相比,化学非平衡流中的激波脱体距离增加约7%,总阻力系数减小约5%,局部壁面温度最大降低74%;而冻结流中的激波脱体距离增加约43%,总阻力系数减小约6.9%,局部壁面温度最大降低18%.      

联合使用激波捕获—拟合法求解激波间断的跨声速流场

吸取激波捕获和激波拟合两种方法各自的优点,发展了一种求解有激波的跨声速流场的方法,并对回转叶栅中定常跨声速流场做了计算。计算中,通过捕获法确定初始激波位置,然后经反复修正,拟合出确定的流场通道激波。计算表明,这种方法可自动获得清晰的激波,流场中气流各参数分布合理。这一方法可适用于复杂边界和不同进口M数,计算时间仅比势函数方法多一倍左右。     

热化学非平衡流辐射流场工程计算方法研究

从耦合辐射的轴对称热化学非平衡 N-S方程出发,采用双温度、1 1组元反应气体模型,耦合修正的Nicolet单温度辐射模型,利用隐式 NND有限差分格式和时间预处理技术数值求解了 FIREII飞船热化学非平衡辐射流场,得到的辐射传热结果与有关实验结果和更细致的热化学非平衡辐射模型的结果进行了比较     

11组元轴对称热化学非平衡流场的数值研究

本文从轴对称热化学非平衡Ｎ－Ｓ方程出发,采用双温度、十一组元反应气体模型,利用隐式ＮＮＤ有限差分格式的时间预处理技术数值求解了ＦＩＲＥＩＩ飞船热化学非平衡流场。文中同时给出了七组元模型的计算结果,并进行了结果比较。     

热力学非平衡对超燃冲压发动机冷态流动影响研究

随着流动马赫数和温度的变化,热力学非平衡对流动的影响也在变化。为研究热力学非平衡对不同飞行马赫数条件下的超燃冲压发动机冷态流动的影响,对三个经典的超燃冲压发动机模型,包括JAXA Ma12-02超燃冲压发动机,DLR超燃冲压发动机,以及Hyshot II超燃冲压发动机进行数值模拟。针对每个超燃冲压发动机,分别采用三种热力学模型进行模拟,包括量热完全气体模型（对应冻结流动）,单温度模型（对应热力学平衡流动）以及双温度模型（对应热力学非平衡流动）。计算结果表明,热力学模型对超燃冲压发动机内流波系结构的位置有一定影响：从整体上来说,双温度模型计算所得波系位置比量热完全气体模型计算结果靠后,比单温度模型计算结果靠前;不同热力学模型计算所得波系位置在发动机前段相对较为接近,而随着向下游发展,波系位置的差别逐渐增大,这是上游每一道波系位置的差别逐渐累积的结果;在发动机前段,双温度模型计算所得波系位置更接近于量热完全气体模型计算结果。通过分析不同热力学模型计算所得激波角可以对此进行解释。而就本文涉及的三个小尺寸超燃冲压发动机而言,热力学模型对气动力和力矩的影响相对较小。不同热力学模型计算所得气动力和力矩的差别主要来源于计算所得激波串位置的差别。     

高超声速内收缩进气道分步优化设计方法

提出了基准流场与唇口平面形状分步优化的高超声速内收缩进气道设计方法。基准流场以反射激波不均匀性最小和总压恢复最大进行多目标优化设计,使用结合Tayler-Maccoll方程的有旋特征线方法(MOC)进行流场计算,获得双拐点母线内收缩锥基准流场。进气道唇口形状以沿流线积分(Streamline Integral Method, SIM)获得的进气道无黏阻力最小为目标进行优化设计,获得类椭圆形唇口平面形状。针对优化设计结果进行数值模拟,与传统直母线基准流场相比,双拐点母线基准流场反射激波后流动不均匀性下降40%左右,总压损失减少35%左右,总体性能提升明显。类椭圆唇口进气道在设计点的单位质量流量无黏阻力相较于圆形唇口降低6%,具有良好的压缩特性和气动效率,能够减弱进气系统对飞行器气动性能的不利影响。研究结果表明该方法是一种高效且实用的高超声速内收缩进气道设计方法。     

三维非对称斜劈高速流动计算方法研究

交叉激波是高超声速进气道发展的关键气动问题之一。为实现对此类高速流动的准确数值模拟,基于RANS方程的自研多块结构网格计算软件,对经典三维非对称斜劈构型的斜激波交叉干扰流动特征开展了计算研究。通过对比分析,系统评估了计算网格、湍流模型及高精度格式对空间流场、底板摩擦力流线、压强分布、绝热壁温分布等的影响,获得了适用于三维非对称高速流动问题的网格生成准则和计算策略,同时验证了自研软件的模拟能力。     

高超声速喷管非平衡黏性流动的数值研究

分别采用平衡气体模型、化学非平衡气体模型和热化学非平衡气体模型,通过求解轴对称Navier-Stokes方程组,数值模拟了法国Marseille高焓激波风洞锥型喷管(H₀=10.3MJ/kg),分析了热化学非平衡效应对喷管流动的影响,给出了平动温度、振动温度、马赫数和组分质量数在轴对称线上的分布与喷管出口附近的速度和温度沿径向分布等结果。计算结果表明:化学反应速度加快,会导致喷管出口温度增加,振动能的冻结会导致喷管出口温度降低。     

一种求解全位势方程的跨音松弛法

 本文发展了一种适用于求解二维跨音速叶栅流场的松弛方法。采用流线和平行于y-轴的直线族组成的非正交网格系统,在物理平面中求解全位势方程,沿流线构造相关差分格式。数值结果表明,本方法具有收敛速度快、差分格式稳定的优点,松弛150步以后,便可获得基本满意的结果。计算结果和物理分析一致,和试验数据相近。     

任意回转面亚、跨音流场计算方法

本文所设计的任意回转面亚、跨音流场的计算软件 ,能根据叶型和进出口条件分析流动特性 ,并自动选择精确和节省机时的合适的数值解法。用户在给出叶型坐标和定解条件后 ,可以得到叶面马赫数分布或压力分布 ,全流场的等马赫数或等压图     

磁场对高超声速弱电离气体流动的影响

对偶极子磁场作用下的三维钝头体高超声速黏性绕流的化学非平衡流动进行了数值模拟。电导率利用组分公式计算,化学模型为7组元、6反应模型。应用诱导磁场方法将磁场与流场耦合,控制方程的空间离散采用有限体积法,扩散项用中心差分格式,对流项采用二阶迎风格式,时间推进采用3步Runge-Kutta法。计算结果表明,外加偶极子磁场使激波脱体距离增加,壁面摩擦系数和表面热流密度增大。与无磁场作用时相比,在0.153T外加磁场作用下,冻结流中的激波脱体距离增加约3倍,局部壁面摩擦系数最大增加63%,局部表面热流密度最大增加61%;而化学非平衡流中的激波脱体距离增加约0.5倍,局部壁面摩擦系数最大增加47%,局部表面热流密度最大增加31%,且化学非平衡流中激波层内温度的最大值约为冻结流中的64%。     

跨声速轴流压气机特性计算用激波损失模型

基于实验结果,发展了一种适用于跨声速叶型的新激波损失模型,该模型考虑了压气机工作状态从堵塞点向喘振点变化时激波系结构的变化。将新激波损失模型应用于某两级跨声速轴流压气机特性预测中,计算与实验结果的比较表明,在跨声速轴流压气机非设计点性能预测中,该模型能够给出更为准确的结果,对于效率曲线的改进尤为明显,并且激波损失系数在全工况下的变化规律更加合理,这表明新激波损失模型能够准确地反映出跨声速压气机内部的流动机理和激波损失大小。     

一种跨声速轴流压气机性能预测的数值方法

采用二维流线曲率法数学方法,考虑到不同因素对落后角和损失的影响,发展了一种适应于跨声速轴流压气机的落后角和损失模型.对轴流跨声速压气机NASA(National Aeronautics and Space Administration)Stage 37进行了数值计算,得到了设计点与非设计点的特性曲线,并与试验数据进行了...     

Vibrational relaxation of CO2(m,nl, p) in a CO2N2 mixture. Part 2: Application to a one-dimensional problem

In order to quantify the relaxation mechanism of CO₂(m, n^l, p), the vibrational level populations are calculated for a particular test-case: the vibrational relaxation of a CO₂N₂ mixture along the stagnation streamline in a reentry problem. The N₂ species is chosen as a collision partner because it is a component existing in numerous gaseous mixtures (cf. Part. 1). Excitation and deexcitation processes are taken following Nickerson and Herzfeld. The Navier-Stokes code CELHYO for the simulation of hypersonic laminar viscous flows in chemical and thermal nonequilibrium is used with a new one-dimensional approach, reduction of the Navier-Stokes equations along the stagnation streamline. Mass fraction and ‘vibrational temperature’ distributions of every vibrational level, considered as an independent chemical species, are presented for the two different CO₂N₂ mixture compositions. The validity of the usual assumptions for the vibrational mechanism is examined on the basis of the obtained results.     

多尺度湍流模式在压缩拐角绕流中的应用

 应用4 个多尺度涡粘性湍流模式对一个二维压缩拐角流动进行了数值模拟,通过与实验结果以及两个基准模式(一个单尺度k-ε两方程模式和一个零方程模式) 的计算结果的比较,结合压缩性对湍能输运的作用、湍流的非平衡性对多尺度湍流模式在拐角非平衡湍流中的应用进行了评估。     

一种求解涡轮平面叶栅的跨音松驰法

一、引　　言跨音松驰法是七十年代初发展的一种新方法。文献 [1 ]是一篇关于跨音松驰法的奠基性文章 ,文章提出了求解小扰动势方程的混合差分格式。文献 [2 ]发展了求解全位势方程的旋转混合差分格式。近年来 ,求解跨音全位势方程的方法有了更全面的发展 [4、5]。作者于 80年发展了一种求解大弯度二维叶栅的跨音松驰法[3] 。本文将该法推广到求解涡轮平面叶栅跨音带激波流场 ,直接求解全位势方程 ,进一步提高边界区差分格式的精度 ,并注意初场的给法。本法具有节约机时和内存的优点。数值算例表明 ,对于头部不大的涡轮平面叶栅 ,应用本方法…     

设计参数及附面层修正对“咽”式进气道性能的影响

为了研究不同的平面斜激波流场对流线追踪"咽"式进气道性能的影响规律,寻求性能最佳的进气道,对设计马赫数为7,具有不同三维基本流场的流线追踪"咽"式进气道进行了数值模拟。研究表明:选择8-7无粘流场(即俯仰平面内的斜激波由和自由来流呈8°夹角的斜压缩面产生;偏航平面内的斜激波由和自由来流呈7°夹角的斜压缩面产生)作为基本流场设计出的流线追踪进气道压缩性能、总压恢复性能及起动性能均能满足设计要求,并有较高的捕获流量;另外,通过对其进行附面层修正,设计状态下的各性能参数都较接近无粘设计参数,并且大幅度提高了进气道的流场均匀性。