吸气式高超声速飞行器气动热试验研究

为获得吸气式高超声速飞行器气动热环境的数据,开展了气动热试验研究。在激波风洞中,来流马赫数Ma=6.12,来流单位雷诺数Re/L=1.37×107(1/m)试验条件下,对吸气式高超声速飞行器1/4缩比模型进行了表面气动热的测量。试验获得了小攻角变化范围内的飞行器头部前缘、头部上下交线、机身上下表面中心线、机身横截面周向、平尾垂尾前缘、发动机唇口等位置的热流率分布。研究结果表明,吸气式高超声速飞行器头部前缘、前体进气道壁面、发动机唇口、平尾垂尾前缘气动加热最为严重,另外乘波体外形的设计与布局影响热流的分布。     

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。     

进入火星大气的高温真实气体效应与气动加热研究

针对火星和地球大气分子热力学和化学行为的差异性,采用理论分析和数值模拟两种手段,研究探测器进入过程高超声速流动的分子振动激发、离解反应及热力学和化学非平衡等真实气体效应,获得不同气体模型条件下的高超声速气动加热规律,探究引起地火差异的根本原因。分析认为,探测器进入火星大气层的稀薄气体效应明显;激波层内发生CO 2气体为主的大规模离解,在极高温环境下O 2和CO也将离解;沿进入轨道的高超声速流动基本处于化学非平衡但热力学平衡状态;激波层内能量储存和分配模式因分子振动激发和化学反应而改变,分子振动激发会增强气动加热量,但均介于化学反应模型的完全非催化和完全催化壁结果之间;相同来流条件下CO 2介质高超声速气动加热强于空气介质,但真实的火星进入热载荷因大气稀薄而弱于地球再入环境。相关研究为我国未来火星探测器热防护系统设计提供技术支持。     

激波风洞边界层强制转捩试验研究

针对升力体模型设计了涡流发生器,在中国空气动力研究与发展中心(CARDC)Φ2 m激波风洞上开展风洞试验,研究了高超声速边界层强制转捩问题。试验来流名义马赫数分别为10、12,单位雷诺数分别为2.4×10~/m、2.1×10~6/m,模型攻角10°。试验中应用铂薄膜热流传感器技术和温敏热图(TSP)技术测量了模型表面热流,证明涡流发生器实现了模型边界层强制转捩,使Φ2 m激波风洞拥有了模拟高马赫数低雷诺数湍流边界层的能力。试验结果表明,不同形状不同高度涡流发生器对边界层完全转捩成湍流后的热流影响不明显,由此可提出一种新的激波风洞试验方法,即利用涡流发生器开展相同来流条件下不同边界层流态对模型表面热流等边界层参数分布影响的试验研究。     

快速响应热流/温度传感器制备与试验研究*

针对高超声速飞行器在长时间试验中测量壁面温度和热流的要求,研究快速响应热流/温度传感器的制备工艺,介绍传感器在热流标定、表面温度测试和电弧风洞试验中的测试结果。利用光学显示设备对比研究三种不同的加压银钎焊工艺,结果表明无助焊剂的高纯度银钎焊工艺具有焊缝平整、厚度小、气孔少的优点。热流标定结果表明,水冷条件下传感器的98%响应时间约为0.35s,热沉条件下约为0.33s,在0.42 MW/m2～2.11MW/m2范围内,与标准传感器的偏差不大于6%;表面温度对比测量表明,传感器所测温度与热流具有线性关系,可以反映表面温度对气动加热的影响;电弧风洞试验表明,传感器可以用于长时间热防护试验的热流测量。     

卫星回收舱再入过渡流区气动热数值计算

返回式卫星进入地球大气层95km高度左右时,速度达到Ma20,回收舱被高超声速稀薄来流形成的弓形激波环绕,气动加热问题非常明显,准确预测过渡流区的气动热成为一个十分突出的问题。过渡区由于气体空气分子仍然比较密集,基于分子动力学的直接蒙特卡洛模拟方法(DSMC)极其耗费计算资源,而求解Navier-Stokes(N-S)方程的方法误差较大。采用添加二阶滑移条件的N-S方程求解过渡流区气动热,并与开源DSMC2V程序计算结果对比,研究了舱体母线热流、压强系数变化;通过对比两种方法下舱体前缘弓形激波及流场参数变化,分析了滑移条件影响壁面和流场参数的机理。结果表明:回收舱再入过渡区时,钝头驻点区为高压、高热流区,锥身区气动热和壁面压强保持在较低水平。带滑移条件的计算机流体力学方法(ComputationalFluidDynamics,CFD)计算得到的热流、压强系数与DSMC结果吻合良好,具有计算效率高、精度较高的优势。对流场压力、温度、速度等参数分析显示,滑移条件中壁面速度滑移和温度跳跃的加入,改变了壁面流动参数,进而改善了壁面热流和压强的准确模拟能力。滑移条件对外流场参数的影响极小,没有改善稀薄流区流场的模拟能力和激波捕获能力,模拟得到的温度、速度等流场参数及激波位置、激波层厚度等与DSMC结果仍有差别。可以认为,文章采用方法能够满足工程上快速高效预测卫星回收舱再入过渡流区气动热需要。     

分离式陶瓷基高温热疏导系统的耦合传热特性

对采用高温陶瓷基复合材料的高超声速飞行器分离式热疏导系统,建立了气动加热下 ,高、低热流区材料内导热－辐射与疏导通道内对流换热的耦合传热模型。采用控制容积法 结合蒙特卡罗法计算两区域陶瓷基复合材料内的导热－辐射换热,并与热疏导通道热平衡方 程耦合求解。通过模拟计算,分析了气动加热热流比、辐射散热面积比、材料光学厚度、导 热－辐射参数、对流－辐射参数对热疏导系统传热性能的影响。初步获得了提高分离式热疏 导系统传热性能的各参数调节规律。
     

边缘钝化对乘波构型性能影响分析

基于乘波构型设计高升阻比飞行器是新型高超声速飞行器布局设计的一种有效途径.受气动热和工艺限制实际应用中需要对乘波构型具有的尖锐边缘进行钝化.为了研究钝化对乘波构型性能的影响,利用计算流体力学方法研究了不同钝化半径对乘波构型气动力和气动热的影响.分析表明:乘波构型边缘钝化可以有效降低最大热流密度,但同时也会降低布局的气动性能.随着钝化半径的增大,乘波构型的气动性能降低较为明显,但对热流密度的影响逐渐减弱.在高超声速飞行器布局设计时应综合考虑钝化对气动力和气动热的影响效应,寻找最佳的平衡点.     

场协同原理在高超声速化学非平衡流动中的推广

应用理论分析与数值模拟方法,将对流传热的场协同原理从不可压缩流动推广至高超声速化学非平衡流动中。结果表明,高超声速化学非平衡层流与湍流的热流密度取决于流动的当地单位体积的动量与单位质量总焓梯度的协同。用当地单位体积的动量与单位质量总焓梯度的协同研究高超声速化学非平衡流动的壁面传热问题,对层流流动下的对流传热,不但计及了高超声速化学非平衡流的密度变化对热流密度的影响,而且包括了静焓梯度、压力梯度、边界层内的分子黏性剪切效应对热流密度的作用;对湍流问题,除了上述层流流动各项对热流密度的影响外,还计及了雷诺剪切应力对热流密度的作用。考虑到高超声速化学非平衡流静焓的定义,高超声速化学非平衡层流及湍流的场协同同时计及所有组分的平动能、转动能、振动能及电子能等梯度的贡献。     

稀薄气体效应对尖前缘气动热特性的影响研究

针对未来高超声速巡航飞行器尖化前缘、大升力面的构型特征,分别采用NS方法和DSMC方法,对高超飞行器局部部件的模化外形进行了努森数从0.01~0.5变化时气动特性的计算分析,对比了连续流方法与稀薄流方法所得结果的差异性,给出了稀薄效应对局部气动热特性影响的定量分析,旨在研究局部稀薄气体效应对气动热特性分布的影响规律。结果表明,努森数从0.04~0.5变化时,连续流方法和稀薄流方法所预测的峰值热流差距可达25%~40%,稀薄效应对热流的影响已达到不可忽视的地步。相对于热流而言,物面压力分布对稀薄效应的敏感性较弱,局部热流对这种局部稀薄效应非常敏感。NS方法所预测的结果普遍大于DSMC方法所得结果。
     

温敏漆技术及其在边界层转捩测量中的应用

A temperature sensitive paint (TSP) technique is developed for the request of boundary layer transition measurement, and a test of hypersonic boundary layer measurement of a flat plate is done in CARDC 0.6m shock tunnel. By use of the TSP technique, the measurement of the hypersonic boundary layer transition of slab has been done in the shock tunnel. The test nominal Mach numbers are 8 and 10, the unit Reynolds numbers are 2.45×10 7/m and 4.48× 10 6/m respectively, and the yaw angle is 20°. The data of heat transfer and transition position obtained by the TSP and measurement results of the thin film heat transfer sensor match well. The results illustrate that the TSP technique has the ability to measure the hypersonic boundary layer transition of simple model qualitatively and quantitatively in shock tunnel.     

Menter转捩模型在高超声速流动模拟中的改进及验证

通过压力梯度参数和湍流普朗特数的修正,对Menter等构造的低速经验关系式转捩模型进行了改进,将基于局部信息的Menter转捩模型用于高超声速流动转捩数值模拟。在多个高超声速尖锥转捩流动模拟中,对改进后模型的可靠性进行了检验,算例考核了不同壁面温度、来流湍流度、流向压力梯度等多种流动条件。结果表明,数值计算和风洞试验的壁面温度、温度恢复因子和热流等符合得较好,修正后模型较好地模拟了转捩起始位置和转捩区长度,在高超声速边界层转捩预测中具有一定潜力。     

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。     

高温风洞收集口喷水降温数值仿真研究

针对高温风洞中扩压器前段壁面防热问题,提出对高温气流外缘喷水降温的方法。通过在收集器入口与喷管出口间安装喷水环,利用液态水汽化吸热对高温气流进行降温,使扩压器壁面形成低温保护层。为了解该方法降温效果,本文利用DPM、组分输运等模型的耦合建立了超声速两相流CFD模型,对向超声速热气流喷水进行降温的过程进行了数值计算,计算结果表明,扩压器启动后有显著的降温保护效果。同时,为探索风洞排气背压和喷水量对风洞流场和壁面降温效果的影响,通过计算得出了变排气背压、变喷水量与降温效果之间的关系,为高温风洞收集口喷水降温装置的优化设计提供了参考。     

PMMA激光点火特性研究

采用CO2激光点火实验系统,研究了常压下PMMA的点火过程以及点火延迟时间与点火热流密度的关系。研究结果表明,随点火热流密度的增加,PMMA的点火延迟时间减少;当点火热流密度大于286 W/cm2时,热流密度对点火延迟时间的影响变小;当点火热流密度较低时,点火延迟时间随着热流密度的减小而急剧增加,且存在点火的最低能量阈值。最后,给出了常压下热流密度范围为70～881 W/cm2内的PMMA点火延迟时间与点火热流密度的数学关系式。     

高超声速乘波飞行器气动实验研究

以绕楔高超声速流场为基础，用流线追踪法生成了一种高超声速飞行器气动概念构形、初步探索了高超声速飞行器机身/推进系统一体化气动构形设计方法，开展了高超声速测压实验，结果表明：该类构形飞行器在高超声速飞行时，可以产生较高的升阻比，前体的预压缩效果明显，是以吸气式冲压发动机动力的有效途的飞行器构形。     

三维侧压高超声速进气道不启动流场试验与数值模拟研究

对某构型三维侧压高超声速进气道开展了Ma4的自由射流试验和数值仿真,研究 了低马赫数下不启动流场的流动机理。观测到了具有“对涡”结构的底板油流图案,并得到 了分离区的范围和内部流动特征。分析得出,“对涡”结构油流图案和流场中部分离区的形 成是唇口激波和内收缩形成的逆压梯度作用于侧板激波形成的流场中部低能流区的结果。根 据试验和数值模拟结果给出了流场结构示意图,并为下一步进气道构形设计和性能改善工作 提出了建议。