DPIV技术在超声速自由涡气动窗口研究中的应用

超声速自由旋涡气动窗口是利用超声速自由旋涡射流来密封高能激光器低压的激光腔，了解气动窗口的流场结构对提高其气动性能和光学性能是非常重要的。本文采用纳米材料作为示踪粒子，开发了超声速流场的DPIV测试技术，并应用于超声速自由旋涡气动窗口的流动显示和测量。测量的最大流场马赫数为4．21，得到了气动窗口的启动过程和剪切层非线性快速增长的流动图画，获得了超声速自由旋涡射流及其诱导流动的速度场。     

超声速自由旋涡气动窗口的设计与实验研究

自由旋涡气动窗口利用非对称喷管产生的超声速自由旋涡射流来密封高能激光器低压的激光腔，通过射流的动量改变来平衡环境与激光腔之间的压力差。提出了一种超声速自由旋涡气动窗口的设计原理和方法，讨论了其设计过程，对该种结构的自由旋涡气动窗口进行了设计和实验测试。测试表明，超声速自由旋涡气动窗口能够按设计参数运行，满足激光腔密封的要求，而且具有良好的光学质量。     

超声速自由旋涡气动窗口的气动光学特性计算与分析

笔者讨论了超声速自由旋涡气动窗口的气动结构，对设计的超声速自由旋涡气动窗口射流流场及超声速自由旋涡气动窗口的光学性能进行了分析研究。研究了自由涡射流对透射激光产生的气动透镜效应，给出了计算结果。     

孔壁通透率对平面附壁射流的影响

本文研究了不同壁面通透率对平面附壁射流动态特性的影响。实验结果表明孔壁减弱、甚至消除了流场中的低频摆动现象。随着孔壁通透率的增加,射流时均附壁点向下游逐渐移动,射流和壁面之间的回流区长度逐渐增大,而射流内侧剪切层内的涡旋与壁面之间的相互作用减小,壁面压强脉动强度变小,附壁射流的动态特性逐渐向自由射流转化。当孔壁通透率为40％左右时,射流与二维平面自由射流类似。距离射流出口不同位置上的壁面脉动压强之间的互谱表明,当孔壁通透率增大以后,射流内侧剪切层中的旋涡向下游传播距离变得更长,传播速度加快,这说明低孔壁通透率情况下的附壁射流中存在的低频摆动现象阻碍了剪切层高频旋涡向下游的发展。     

计算流体动力学在航天飞行器射流逆流中的应用

超声速射流逆流通常用于导弹、航天飞机、卫星和飞船等飞行器运动状态的控制。欠膨胀超声速射流逆流的流场包含有多激波（如弓形激波和马赫盘）、接触间断和剪切层，其结构非常复杂。本文采用激波高分辨率有限差分（ＴＶＤ）格式，对恒定自由流条件，各种不同射流出出口压比的超声速轴对称逆射流进行了数值模拟，且对各种条件下的物理现象给予了分析。计算的马赫盘和弓形激波位置与实验值相吻合，为此类流动问题提供了一种有效的预测     

超声速对流推力矢量喷管的数值模拟

利用二次流对流剪切激励主射流方式来产生射流对流推力矢量方法是一种效率很高的矢量化喷流新方法,又称为对流推力矢量法。本文运用三阶精度MUSCL TVD有限体积格式求解二维非定常、可压缩、雷诺平均N-S方程和Spalart-Allmaras湍流模型,计算了对流推力矢量喷管的超声速射流问题,获得几种不同二次流吸气压强下对狭缝和喷管肩部壁面压强分布、剪切层诱导旋涡的结构特征和主射流矢量角等结果,计算结果与实验数据对比取得良好的一致性,并对计算结果进行了详细分析和讨论。     

射流与超声速来流剪切层作用的数值模拟研究

本文采用高精度格式求解二维Navier-Stokes方程,分别应用五阶WENO格式、六阶中心差分格式离散对流项和黏性项,时间推进采用三阶Runge-Kutta格式,并应用MPI非阻塞式通信进行并行计算,模拟了超声速射流与同向超声速流动的相互作用,目的在于研究流长产生的两个剪切层的相互作用,发现了有一定夹角的剪切层作用产生周期性次生射流的现象。本文研究了射流/超声速流剪切层相互作用、作用产生的次生射流具有脉冲性等方面,着重对次声射流的周期性等展开分析和讨论。     

超声速自由射流马赫数控制系统设计

简要介绍了超声速自由射流高空模拟和试验技术,分析了超声速自由射流马赫数控制的原理,给出了控制方式及建立多输入多输出马赫数控制系统的方法。设计并实现了基于单支点半柔性壁超声速自由射流喷管,及双电动缸同步伺服控制技术的超声速自由射流马赫数控制系统。吹风试验结果表明,采用的双电动缸同步伺服控制技术,可对单支点半柔性壁超声速自由射流喷管柔性壁面实现同步控制,即精确控制超声速自由射流喉道面积;同时,该控制系统还可连续、有效地控制超声速自由射流马赫数。     

等离子体助燃下超燃支板燃烧室燃烧特性数值研究

为了将支板喷注器与等离子体射流这两种促进超声速燃烧室燃烧的方式结合起来,设计了一种带有等离子体射流喷孔的支板燃烧室,并在超声速来流的条件下,针对燃料喷注总压、燃料喷注位置、等离子体射流介质、等离子体射流总压对燃烧室燃烧性能的影响进行了三维数值模拟。研究发现:增大燃料的喷注总压,燃烧室的燃烧范围明显增大,燃烧效率呈现出先增大后减小的趋势,在燃料喷注总压为2.0MPa时,燃烧效率达到最大值90.4%;不同的燃料喷注位置对燃烧室的燃烧范围影响较小;等离子体射流介质为O2时,燃烧效率最高,燃烧范围最广;提高等离子体射流的喷注总压,能够提升凹腔剪切层高度,有效促进燃烧,但同时也带来了更高的总压损失。     

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。     

超声速高度欠膨胀冲击射流的大涡模拟

冲击射流广泛应用于短距起飞垂直降落飞行器(SVTOL)等航空航天领域.本文采用大涡模拟方法对高度欠膨胀的超声速冲击射流的流场进行了数值模拟.本文数值模拟得到了高度欠膨胀冲击射流流场中的激波结构和内外剪切层中不同尺度的涡结构.数值结果观察到了马赫盘的振荡,以及在斜激波、马赫盘及大尺度涡结构的共同作用下,射流内外剪切层之间的环形激波的生成与消失的周期过程.并对流场内剪切层的涡结构的演化进行了研究,数值结果显示内剪切层的大尺度涡结构的形成与马赫盘的振荡相关,在内外剪切层的作用下形成了壁射流区内外交错的涡结构.     

二维喷管的初始流动

基于可压缩Navier-Stokes方程,采用大涡模拟方法与高精度混合WENO/TCD格式,对Ma=1.4的超声速平面射流初始流场进行了数值研究.数值结果清晰地描述了超声速平面射流初始流场的结构特征,包括主涡环与激波结构以及它们演变过程.因主涡环内存在涡导激波对,激波与涡相互作用加速射流剪切层失稳,使剪切层首次卷起形成小涡的位置出现在涡导激波对后,此与亚声速射流情况不同.小涡串卷起成后,相继与涡导激波对相互作用,使激波出现明显的变形并加速主涡环失稳.      

新型斜波瓣超声速混合器设计研究及其数值计算

根据超声速两股流掺混的特点, 在波瓣喷管的基础上提出了一种新的斜波瓣型超声速混合器设计方法, 设计的原则是在较小流动损失的前提下尽可能增加混合程度.利用有限体积法对三维可压粘流N-S方程进行离散, 紊流模型为k-ε模型, 分别对欠膨胀、接近完全膨胀和过膨胀3种工况进行了计算研究.计算结果表明, 当内通道瓣腔顶端与外通道相交处成一定夹角, 射流产生鞍形激波和旋涡可以增加掺混效率, 混合器内两股超声速流的流态基本符合设计要求.在欠膨胀、接近完全膨胀的工况, 效果是令人满意的, 但对严重过膨胀的工况, 到出口截面的混合效果不理想.      

自由射流喷管技术的研究进展

随着现代飞行器动力性能的日益提高和工作范围的不断扩大,传统直接连接式畸变模拟试验局限性越来越大,先进航 空动力研发的一些关键技术,如动态畸变响应的动力学问题、进气道-发动机流量协调与模态转换问题等,都离不开自由射流试 验。早在20世纪中期就诞生的自由射流进气装置面临着诸多挑战,新一代高性能航空发动机进发匹配试验的迫切需求,也为其 进一步发展提供了新的契机;同时,构型创新和虚实结合为自由射流进气装置及其试验带来了全新的、智能化的发展方向。为了 使构型创新自由射流进气装置满足新一代高性能航空发动机进发匹配试验的需求,详细介绍了国内外进气装置的开发历程,从自 由射流试验技术、气动设计、结构设计、以及姿态设计等4个方面,对典型构型的基本原理和气动性能进行了综合分析,阐述了进 气装置的基本特征及其发展所面临的主要矛盾,针对动态姿态模拟和进发匹配特性自由射流试验研究的不足,指出了通过构型创 新和综合集成的喷管关键技术研究发展趋势及获得的进展。结合近年来新一代航空发动机研制的新形势对自由射流试验的新需 求,以及众多创新技术的应用,表明自由射流喷管将迎来工程应用领域的蓬勃发展,为相关技术研究与工程实践提供技术基础。     

二维超声速剪切层的非线性失稳过程分析

利用直接数值模拟方法，模拟了二维超声速剪切流动中的小扰动波随时间发展在空间上的传播过程，由此分析其稳定性，通过相图分析，李雅普诺夫指数分析和分维分析，本文得到了二维超声速自由剪切层流动由线性到非线性失稳过程的数学特征，结果分析表明，在本文的计算条件下，二维超声速混合层流动在失稳过程中出现了间歇现象，并进入了混沌运动的初期阶段。     

基于SST k-ω的超声速气膜冷却湍流模型温度修正

针对现有湍流模型无法准确预测非等温超声速气膜冷却行为的问题,在现有SST k-ω可压缩修正模型基础上,以总温梯度为变量,完成了湍流模型的温度修正,并首先通过非等温可压缩自由剪切流动实验数据初步验证了其修正效果,在此基础上对温度修正模型预测超声速气膜冷却传热的准确性进行了验证。结果表明,基于剪切层总温变化的湍流模型修正效果显著,可准确预测大温度梯度下的自由剪切流动轴向速度分布;修正模型计算得到超声速气膜冷却壁面热流分布与对应的实验结果吻合;当用于剪切层温度大梯度变化的超声速气膜冷却数值模拟时,温度修正后的SST k-ω模型与可压缩修正的k-ω模型、SST k-ω模型相比,具有显著优越性。     

含激波、旋涡和声波的复杂多尺度流动数值模拟研究

近年来针对激波噪声计算,我们开展了较为系统性的数值方法研究,解决了计算激波噪声的一些方法上存在的问题。通过对典型问题的直接数值模拟,包括旋涡之间相互作用、激波与旋涡相互作用、激波与剪切层相互作用等模型问题和超声速喷流激波噪声问题,揭示了一系列激波噪声产生机理。本文对这些研究进行简要回顾。     

微波对超声速燃烧火焰结构的影响

超声速中等离子辅助燃烧是一种具有潜力的助燃方式。通过将低功率微波馈入超燃冲压发动机燃烧室的方式，研究了微波对火焰结构的影响。实验来流马赫数为2.5，常温乙烯燃料从壁面横向射流，以单级凹腔作为火焰稳定器，分别加入500 W和700 W连续2.45 GHz的微波，利用高速相机拍摄火焰CH^*发光图像。研究表明微波的加入使超声速火焰稳定结构发生改变，火焰的起始和稳定位置从凹腔剪切层向射流出口转移，表明微波对火焰传播速度或者燃烧反应速率有增强作用。同时利用火焰边界提取和分形几何的方法，发现微波能够增大火焰边界分形维度，分析认为火焰传播速度由于微波的加入而增加，证明小功率的微波对超声速燃烧有促进作用。     

自由旋涡气动窗口喷管设计研究

根据超声速自由旋涡气动窗口的实现原理以及相关气动设计理论,推导出气动窗口的质量流率公式,得到影响气动窗口质量流率的几个因素,研究了自由旋涡气动窗口喷管设计过程,利用特征线方法设计非对称喷管,得到气动窗口的喷管型面。最后对气动窗口喷管进行了初步数值模拟,模拟结果表明利用特征线方法设计喷管是可行的。     

射流旋涡发生器抑制进流管流动分离的数值模拟

高航速时喷水推进器进流导管背部流动发生分离，加剧了喷泵的进流畸变，导致推进性能下降。本文提出在进流管上布置射流旋涡发生器（VGJ）抑制进流管的流动分离，并通过数值模拟分析了射流孔位置、射流角度、射流流量等射流参数对控制效果的影响。经参数优选后，布置在背部流动分离点前的VGJ、射流角度10°、射流流量是出流流量的2.3%时，进流管出流的不均匀度系数、旋流度、总压畸变指数分别降低35.18%,60.62%,46.42%，总压恢复系数提高了18.07%。VGJ的流动控制作用明显，工况适应性较好，为喷水推进器采用主动流动控制提升推进性能提供理论依据。