超声速三维进气道内激波干扰的研究

为了为三维进气道的设计提供有用的分析数据,对高超声速和超声速来流下三维进气道内激波干扰进行了理论和数值研究。进气道模型选取"箱式"以及三面侧压进气道作为研究对象。理论分析采用了"空间降维"方法,即将进气道各个角落处的三维双楔定常激波干扰问题转换为二维非定常激波干扰问题,并利用激波动力学对其进行求解。数值验证方法利用2阶NND差分格式求解三维无粘欧拉方程,网格数量为1200多万,并采用MPI并行进行计算。该理论分析方法很好地对进气道各个角落处的激波干扰波系结构进行了判别,并得到了干扰区马赫构型三波点附近以及规则构型反射点附近的解析解,理论分析结果与数值模拟结果吻合较好。此外,针对进气道截面内各个流场区域的总压恢复系数以及压力、密度和温度进行了研究,并考虑了箱式进气道和三面侧壁压缩进气道内的流场区域的非均匀性,干扰区马赫杆后的总压损失要比其他区域高10%左右。通过研究表明,"空间降维"方法适用于进气道压缩部分,将为进气道的设计和性能评估提供一种理论分析手段。     

一种形状可控的激波增强管道型线设计新方法

激波管所产生的非定常运动激波,若强度和形状能够按照一定的设计要求进行可控条件下的调节,将可望为燃料点火燃烧试验等提供具有独到优势的研究手段。基于激波动力学理论,针对激波管中所产生的平面运动激波,通过设计特定的上下壁面收缩型线,使初始平面运动激波,经收缩段（包括光滑凹形曲线段、斜直线段和光滑凸形曲线段）的变形和强度增加,再以平面波面形状进入较小截面直管段的连续转变过渡,得到了强度增加的平面激波。进一步对所设计的典型型线分别采用数值计算和试验的方法,考核分析激波运动过程中的形状变化,验证了理论方法的可靠性。在此基础上,分析了型线设计的关键参数对激波增强幅度的影响,结果表明,相对于传统激波管方法,本文中所提出的收缩截面方法能更显著地增加平面激波强度;另外,还考察了初始入射激波马赫数对壁面型线和运动激波波面形状的影响,结果表明,对于较强的初始入射激波来说,壁面型线对入射激波强度依赖较小,也就是说,当实际入射激波马赫数即使稍偏离设计状态时,仍然能得到近乎完美的平面形状增强激波。     

典型工况下旋转爆震发动机进气道流动特性研究

旋转爆震发动机是一种具有较大潜力的新型动力装置,燃烧室存在的高频超高压周向压力脉动直接影响进气道扩张段的流动特征,本文采用三维定常/非定常数值模拟方法针对旋转爆震发动机进气道扩张段复杂非定常流动特性开展研究。研究结果表明：受下游燃烧室旋转爆震波影响,扩张段内存在呈螺旋状向上游传播的运动激波;运动激波向上游传播过程中强度衰减、传播速度下降,激波形态逐步由类正激波向类斜激波演化,运动激波逐步向驻激波演变,运动激波与边界层干扰诱发的回流区逐步向波前扩展,波面坐标系下波前亚声速相对厚度逐渐增大;与定常反压状态相比,旋转爆震工作状态进气道出口静温、总温较高、总压较低。本文研究加深了对旋转爆震发动机进气道流动特性的认识,有助于该类发动机进气道的研制。     

第Ⅳ类激波-激波干扰非定常性及其敏感因素分析

针对高超声速二元进气道钝化唇缘位置可能出现的第Ⅳ类激波-激波干扰流动中的非定常振荡问题,采用基于有限体积方法结合网格自适应技术的VAS2D程序,数值求解二维可压缩层流Navier-Stokes方程,细致刻画了第Ⅳ类激波-激波干扰非定常流场中的复杂波系结构、壁面压力和热流分布,重点考察了入射激波位置、入射激波强度以及钝头体外形等对第Ⅳ类激波-激波干扰流动特性影响较为敏感的因素及其影响规律。数值模拟结果表明:第Ⅳ类激波-激波干扰流动可能出现非定常振荡,也可能呈现相对稳定的状态,入射激波条件和钝头体外形均可能对第Ⅳ类激波-激波干扰流动非定常性的显现及其振荡特征产生显著影响。采用无量纲的Strouhal数表征流动的非定常性,在文中数值模拟条件下,入射激波强度增大或者钝头体外形变钝,均会使得Strouhal数减小,而壁面热、力载荷有增大的趋势。合理地选择钝头体外形可望减小第Ⅳ类激波-激波干扰出现的比率,有效抑制流动中的非定常振荡现象,降低激波-激波干扰带来的热流和压力脉动峰值。     

上游激波干扰时斜激波串受迫振荡特性实验研究

为了研究斜激波串在与上游激波相互干扰时对下游周期性扰动的响应特征,在来流为马赫数2.7的直管道上游设计了一种等宽度斜楔,在下游中心截面位置安装了旋转的椭圆凸轮,以产生类正弦形式的周期性反压扰动,采用了动态压力测量、高速纹影和粒子图像测速技术等手段进行了试验。结果表明:内置斜楔在管道内产生入射激波、分离激波、膨胀波、再附激波和激波诱导分离等复杂背景流场,在分离区附近形成有顺压梯度和逆压梯度的区域。下游产生的正弦形式的周期性扰动会沿着边界层亚声速混合区域逆流前传,引起壁面压力脉动和斜激波串的周期性振荡运动,振荡频率与反压扰动频率相同。在管道内均匀流场中,斜激波串受迫振荡运动的幅值随着反压扰动频率的增加而逐渐减小。在内置斜楔的管道中,斜激波串受迫振荡运动的幅值大大减小,而且随着反压扰动频率的增加基本保持不变。以文中fs=21Hz为例,斜激波串在上游激波干扰中的受迫振荡幅值仅为在均匀来流中振荡幅值的22%。     

特定条件下高阶WENO格式计算结果误差

通过比较一阶迎风格式和五阶WENO格式模拟激波、接触间断、曲线坐标系下的均匀流和激波正规反射等4个简单流场得到的数值结果,发现WENO格式模拟的激波和接触间断在从初始间断变化成数值过渡区的过程中出现的非物理波动比一阶迎风格式的结果更加明显,流场结构也更加复杂;同时,由坐标变换而产生的几何诱导误差和边界近似模型误差也明显...     

激波风洞流场建立过程对进气道流动的影响

由于激波风洞喷管起动与进气道起动相"耦合"的流动过程复杂,喷管起动过程中的波系结构对进气道脉冲起动过程的影响规律难以准确把握。本文从简化问题的研究思路出发,将激波风洞喷管流动与进气道流动进行一定程度的"解耦",以揭示喷管起动波系各组成部分对进气道脉冲起动过程的影响机制。"解耦"方法先采用准一维变截面非定常流动模拟激波风洞喷管的起动过程;然后,将喷管出口参数作为来流条件,对二元进气道的脉冲起动过程进行非定常粘性数值模拟。采用"解耦"方法考察了初始压强对喷管起动波系以及进气道脉冲起动的影响,并与不考虑喷管起动过程,在进气道入口设置初始间断面的模拟方法进行了比较。结果表明,喷管起动波系中的非定常膨胀波和二次激波是影响进气道脉冲起动的主要因素。在初始压强较低时,采用在进气道入口设置初始间断面的方法,可以快速评估进气道的脉冲起动能力;而当初始压强较高时,采用本文的"解耦"方法模拟,能够得到更为可靠的脉冲起动能力。     

基于非结构动网格的非定常激波装配法

从ALE方程出发,通过修正体积的新思路构建离散几何守恒律,基于非结构动网格的信息传递方法得到网格重构以后新网格的流场参数,采用一阶格式捕捉法得到的流场确定装配法的初始激波位置,成功地把激波装配法应用到非定常流动的模拟。模拟超声速飞行环境下整流罩分离的非定常流固耦合过程,在马赫数6条件下装配法和捕捉法的计算结果完全一致,随着马赫数增加,二阶精度格式的捕捉法需要进行调整限制器参数、时间步长等人工干预,但是装配法直到马赫数20计算过程没有出现异常。该基于非结构动网格技术的激波装配方法,与传统的激波装配方法相比,能够用于复杂外形产生的非规则形状激波和非定常流动产生的运动激波,解决二阶精度有限体积法用于高马赫数飞行条件下多体分离过程的流动模拟时遇到的稳定性问题。     

振动叶栅中尾迹/激波相干的数值研究

研究了尾迹/激波相干对振动叶栅非定常流动的影响.数值方法利用了先进的谐波方法.该方法基于傅立叶变换,把叶栅非定常流变量分解为一时间平均量和若干谐波分量,继而,时域非定常N-S方程被转化为频域定常傅立叶系数方程.定常傅立叶系数方程的求解采用了伪时间推进方法.为加速数值解收敛,采用了本地时间步长和多重网格技术.通过NASA67转子算例结果表明:上游尾迹对振动叶栅非定常流动具有显著影响.当存在尾迹相干时,叶片通道内的激波在轴向方向上表现出较大的漂移运动,叶片所受的非定常力幅值变大,同时失去了时间周期性.      

跨音叶栅气动弹性稳定性的数值分析

在叶轮机械的非定常跨音流场中,激波会对气动弹性稳定性有很大影响。而激波的形状、数目、位置又与叶栅的一系列几何参数及气动参数密切相关,事先难以规定。为能考虑叶型叶栅的非定常跨音带激波绕流,本文发展了一种有限差分数值解法。其中速度势被分解为定常和非定常小扰动两部分,并用跨音松弛法求解关于非定常扰动速势的空问变系数线性复变量微分方程。 文中给出的一些数值结果表明,对于进出口M数均小于1.0的叶栅非定常跨音流动说来,局部超音区结尾处激波的存在有很大影响。本研究还预测到在高亚音进口M数,低负攻角条件下出现弯曲颤振的可能。     

一种改进的非定常激波装配算法

基于非结构动网格技术和格心型有限体积方法,提出一种改进的非定常激波装配算法,进一步拓展了其在包含有运动激波的非定常流场的应用范围。首先,针对激波在直/曲壁面传播这类问题,分别建立了壁面间断节点的运动模型;其次,为保证激波在大范围运动时装配阵面不产生失真,基于Bézier曲线拟合方法实现了间断节点分布的自动重构;接着,通过嵌入局部网格自动重构模块,提高了算法的计算效率和自动化程度;最后,对于激波相交点的运动,设计了一种根据位移推算速度的方法进行装配。数值算例表明,所提算法能够有效地处理激波传播问题,相比激波捕捉方法可以提取更多的流场信息,同时可以获得流场间断更加直观清晰的图谱。     

非均匀来流下三维激波反问题的微元密切轴对称解法

传统的密切轴对称理论被广泛应用于均匀来流下的三维密切曲面激波反设计，为解决非均匀来流条件下的三维曲面激波反问题，提出了一种微元密切轴对称流场（MOA）求解方法。该方法沿激波面的周向和流向构建一系列微元密切面，在每个微元面内进行三维向二维流动的等效转换，从而突破了传统密切方法中不能有横向波后流动的限制。利用该方法编写设计程序，分别基于带攻角来流条件和外锥型流来流条件重构了标准内锥曲面激波，并与数值仿真结果进行了比较。结果表明，非均匀来流下激波曲面的三维形状均与预设形状完全一致，实现了非均匀来流下曲面激波形状可控。MOA方法在吸气式高超声速推进领域中前体/进气道一体化设计方面有重要应用前景。     

暂冲式环形射流诱导非定常激波聚焦的机理研究

利用暂冲式环形射流诱导非定常激波聚焦实验装置,在环形喷口宽度为9.4mm,喷口前后压比分别为6.1和17.9的条件下进行了环形射流聚心碰撞诱导非定常激波聚焦的实验研究,并以数值计算为补充,对流场的演化过程进行了详细的分析。结果表明,环形射流启动时形成的前导激波聚心碰撞是产生非定常激波的主要原因。在环形喷口宽度d=9.4mm,压比π=6.1的条件下,激波聚焦的峰值压力可达2.16MPa,为凹面腔内部初始压力的21.8倍。激波在凹面腔内聚焦后形成回传激波,凹面腔底部的气流经入射激波与回传激波两次压缩后,压力大大提升,向环形喷口回流,使下一循环中环形射流的欠膨胀度降低,前导激波强度也相应减弱,随之产生的非定常激波和激波聚焦强度也有所降低。此外,一个循环中输入凹面腔的能量由环形喷口宽度所决定,因此,当喷口前后压比大于临界压比1.89时,保持喷口宽度不变而仅改变喷口前后压比,所产生的非定常激波和激波聚焦强度基本不变。     

高压涡轮全环非定常流动数值模拟

为了进一步准确地掌握涡轮内部复杂流动特征,采用全环非定常数值模拟方法研究了某型高压涡轮内部非定常流动,重点分析了上游导叶尾迹和激波在动叶流动中的非定常作用机制,探讨了引起动叶通道内及叶片表面压力分布周期性变化的非定常扰动。数值结果表明:与尾迹作用相比,由导叶激波引起的非定常效应更为明显,尾迹引起的非定常扰动在动叶0.5倍轴向弦长位置下游较为突出。在动叶流场中及叶片表面上的静压变化显示,在动叶通道内还存在低频扰动,对局部流场的非定常扰动明显。最后指出,在非定常计算时采用区域缩放法对流场中非定常扰动的预测存在一定误差。     

模拟存在运动激波流场的无网格自适应算法

将无网格自适应算法发展用于求解存在运动激波的非定常流动问题。为了降低初始布点要求,同时提高对运动激波的分辨率,提出了一种结合点云加密和点云粗化的动态点云技术。采用该技术,在非定常计算的每一个时间步,首先通过基于压强梯度的流场探针识别出激波所在位置,然后对激波附近点云进行加密,从而提高对激波的分辨率,同时对远离激波的点云进行粗化,尽可能减少冗余节点,提高计算效率。采用所提出的无网格自适应算法求解了N-S方程,首先对一维运动激波问题进行了数值模拟,通过将数值模拟结果与精确解比较,验证了所提算法求解存在运动激波的非定常流动的可行性,在此基础上,将方法推广用于二维非定常流动问题的求解,分别对瞬时激波碰撞圆柱以及双弧翼型激波振荡流动进行了数值模拟,计算结果表明,方法可以显著提高对激波的分辨率,同时相对于直接采用较密布点的非自适应算法,自适应算法在计算效率上具有优势。     

运动激波绕射的数值模拟

用高分辨率的ＴＶＤ格式对复杂的激波反射过程做数值模拟。激波斜壁反射计算结果与实验干涉照片、压力分布、密度分布均符合得很好。通过对运动激波绕射凸起物的数值模拟,得到非定常反射流场发展过程及复杂流场间断的清晰图谱。     

S形进气道锤激波的动态特性

进气道的锤激波载荷是由发动机喘振引起的,是进气道结构设计的最大载荷。为了解进气道锤激波动态载荷特性,对M2129型S形进气道模型进行了三维非定常数值模拟。采用了直接在进气道出口给定压力变化波形的方法模拟喘振压升现象,分析了来流马赫数为0.65,初始进气道换算流量为60kg/s(即出口马赫数为0.44)时锤激波传播过程中进气道壁面压力和进气道内部流动的动态演化过程。发现上下壁面的动态峰值压力可以达到来流静压的2.3倍以上。在锤激波下游,可观察到回流产生,并出现复杂的三维流动结构。锤激波发生0.185s后进气道流动逐渐恢复正常。进一步的研究对比了不同换算流量、锤激波超压比和进气道中心线几何形状对应的锤激波压力变化。发现在较低流量和较大超压比时进气道所受峰值压力更大,锤激波沿进气道传播速度更快。进气道中心线形状的改变会影响锤激波压力的大小和分布,曲率大的地方易产生较大的锤激波峰值压力。     

激波结构内流动问题的气体运动论描述

从介观Boltzmann速度分布函数理论出发,发展计及分子粘性碰撞截面与扩散碰撞截面,可描述各流域一维气体流动问题的Boltzmann简化速度分布函数方程及其气体运动论数值计算方法。通过对不同Knudsen数下非定常激波管流动及不同马赫数定常正激波结构问题数值模拟,研究分析不同流区的激波突跃变化过程以及近连续流、稀薄过渡流特有的分子输运现象,揭示不同马赫数、不同分子模型的激波内流动与传热变化规律,证实基于Bo-ltzmann模型方程的气体运动论数值计算方法用于激波结构内流动研究的准确可靠性。     

密切弯曲激波乘波体技术的应用及有效性分析

将密切技术设计乘波体的应用推广至弯曲激波外锥流场中。针对不同激波形状(ICC)约束条件,在凸、凹激波曲外锥流场中,生成了四种构型的密切弯曲激波乘波体,采用数值模拟及理论分析的手段开展了密切弯曲激波乘波体技术应用的可行性验证及有效性分析。研究结果表明:(1)基于密切凸、凹激波外锥流场的乘波体乘波压缩面、出口截面压力分布、激波形状(ICC曲线)均与设计吻合,最大偏差小于5%,说明密切凸、凹激波外锥流场的方法设计乘波体是可适用的;(2)利用宽高比为0.5的超椭圆方程作为ICC控制曲线生成的乘波体,流场压力的理论解与数值解偏差可控制在1.6%以内,而宽高比为2的超椭圆方程作为ICC控制曲线生成的乘波体,流场压力偏差可控制在4%以内。     

三维超声速不等密度平面混合层的小激波形成与演变

基于大涡模拟方法与高精度混合格式,对两种密度比(1.0与0.138)条件下的高对流马赫数(Mac=1.1)三维空间发展超声速平面混合层进行了数值模拟。数值结果清晰描述了扰动激励下超声速平面混合层的演变过程,讨论了三维混合层中小激波的结构及其形成过程。分析了混合层两侧密度变化对混合层失稳及小激波形成的影响,发现当上、下层密度不等时,混合层失稳加速,小激波强度减弱,而密度较低侧的小激波会更弱。