升力体飞行器尾喷流模拟气动力试验方法研究

尾喷流对升力体高超声速飞行器的气动特性影响显著,风洞喷流模拟测力试验是研究升力体飞行器尾喷流干扰效应的重要手段。在尾喷流模拟气动力试验中,选取恰当的喷流模拟参数,以及克服喷流供气管路对天平测力的干扰以提高测量精准度,是需要解决的关键技术。在 CARDC 的Ф1米高超声速风洞中,研究了采用冷喷流模拟、飞行器整体模型测力的升力体飞行器尾喷流模拟测力试验方法。通过优化模型结构设计、选用小干扰的喷管分断缝隙密封措施,解决了带尾喷流模拟条件下的升力体飞行器气动力精确测量问题,提高了带喷流气动力试验数据精度,接近常规气动力试验的水平。     

激波风洞侧向喷流干扰效应试验研究

为研究高速飞行器在高超声速来流条件下侧向喷流干扰效应,在CARDC-φ2m激波风洞上采用"先内流,后外流"的总体技术方案,完成了双锥模型在M6～M10,模拟高度20km～40km,有侧向喷流条件下的测压、测力试验研究,并采用高速流场显示方法进行了流场纹影照相.喷流模拟装置为路德维希管,冷喷流采用氮气,热喷流采用氢氧燃烧的高温气体,喷流有效时间不少于50ms.试验气流为激波风洞产生的高超声速氮气流,有效试验时间为4ms～20ms.试验研究获得了模型攻角在-10°～10°之间,不同的马赫数、高度和侧向喷流状态下的相关试验结果.本文给出了试验数据曲线和流场纹影照片,并对结果进行了初步分析和讨论.     

侧向脉冲喷流瞬态干扰流场探讨

当姿态控制发动机工作时间很短时, 喷流干扰产生的非定常气动特性就显得非常重要。为了研究脉冲发动机起动到关闭过程中引起的非定常气动特性对导弹控制效应的影响, 采用了二阶时间精度的LU隐式时间推进格式和双时间计算技术, 数值求解了飞行马赫数M∞=5, 迎角α=0°情况下, 拦截导弹姿态控制脉冲发动机喷流的瞬态过程和所产生的非定常气动特性。以0 001ms间隔观察了导弹表面在喷流出口附近非定常干扰流动分离区的发展过程。给出了详细的喷流瞬态干扰流场结构, 以及喷流瞬态干扰区随时间改变的流场细节特性。研究表明: 喷流前的高压区和喷流后的低压区对非定常效应非常敏感。并且, 当喷流已完全关闭时刻还存在喷流羽流的残余干扰量。     

高马赫数下横/逆向喷流干扰流场数值研究

横向喷流和逆向喷流广泛用于高超声速飞行器气动力与气动热控制。采用格心型非结构有限体积法求解基于三温度热化学非平衡模型的全Navier-Stokes方程,对高空、高马赫数来流条件下二维圆柱状构型飞行器的喷流干扰流场进行数值模拟,研究了仅存在横向或逆向喷流以及横/逆向喷流同时存在时的复杂流场结构以及喷流降低热流、减阻、改善升力的具体效果。通过控制变量的方法,探究了不同参数（马赫数、静压）的喷流对流场结构及飞行器的气动力、气动热的影响规律。结果表明：在一定条件下,当逆向喷流与横向喷流同时存在时,下游的横向喷流可以影响到上游的逆向喷流流场结构;逆向喷流可以显著减小高超飞行器阻力,并降低头部壁面热流峰值,而横向喷流对高超飞行器的升力特性有一定提高;在横向喷流已用于飞行器姿态控制的情况下,一定条件下可以同时使用逆向喷流,既可以减阻、又可以降低热流峰值,还可以提升升力。     

喷流落压比对高超飞行器尾喷管内外流干扰的实验

为了研究吸气式高超声速飞行器尾喷流对飞行器尾部区域气动性能的影响,在中国空气动力研究与发展中心05m高超声速风洞中,在来流马赫数为50和60条件下,开展了不同落压比条件下的尾喷流干扰测压实验研究,同时采用高清纹影观测了喷流干扰区域的流场结构。实验结果表明:不同喷流落压比时,飞行器尾部区域表面压力分布差别明显,高落压比时喷流干扰作用的区域更大,压强数值更高。纹影也显示高落压比时交叉干扰激波更强、剪切层扩张更明显。喷流干扰区域已影响到了飞行器水平翼区域的压力分布,将会对飞行器操纵特性产生影响。      

锯齿型喷口抑制热喷流噪声的实验研究

利用位于全消声室中的热喷流噪声实验台对涵道比为5.5的分开式排气系统进行了吹风实验,研究了在热喷流状态下带有挂件的锯齿型喷口对分开式排气系统远声场的影响,进一步分析了锯齿的分布方式以及结构参数对喷流噪声降噪特性的影响。结果表明,锯齿型喷口可以降低喷流低频段的噪声,并且在下游方向具有最好的低频段降噪效果;锯齿的分布方式对降噪效果的影响最大,仅在内涵添加锯齿结构的喷口可以抑制高频噪声的产生,在下游的总声压级降噪量为1.4~2.4d B;齿数的增加可以抑制高频噪声的增加;切入角的变化对降噪效果有一定的影响,但是远小于分布方式的影响。     

不同孔型对高超声速逆喷流气膜冷却影响

主要对不同孔型在不同质量流量下对高超声速逆喷流气膜冷却影响规律开展研究,得到不同孔型对气膜冷却效果的影响规律。采用CFD计算方法,对飞行高度为50 km,飞行马赫数为15条件下圆柱孔、收缩孔、扩张孔、收缩-扩张孔4种孔型开展研究。研究显示:小流量供气时,收缩孔和圆柱孔会出现长穿透模态(LPM)工作状态,扩张孔和收缩-扩张孔则不会出现;随着喷流流量的增大,喷流会从LPM转向短穿透模态(SPM),此时继续增大气膜喷流流量,并不会显著增大冷却收益。综合整个流域的变化,扩张孔在高超声速飞行器头部逆流喷流气膜冷却中是比较稳定可靠的气膜冷却孔。     

缩比发动机喷嘴热喷流噪声试验

为深入了解涡扇发动机喷流噪声特性,验证喷流噪声降噪方法,建立发动机喷流噪声数据库,在法国国家航天航空研究中心的CEPRA19声学风洞开展了缩比发动机喷嘴热喷流噪声试验测试工作。针对发动机热喷流模拟系统,设计加工了面积比（外涵喷嘴面积与内涵喷嘴面积之比）为5和7的两种喷嘴构型试验模型。通过减小高温区域单个零件长度尺寸和零件壁厚的方法,降低热膨胀对模型尺寸的影响。在声学风洞中完成了不同工况条件下两种面积比圆形喷嘴和锯齿形喷嘴的远场噪声特性测试。通过对远场测量噪声频谱进行分析,发现随着来流速度的增大喷流噪声会减小,采用锯齿形喷嘴设计在中低频喷流噪声水平降低,在高频噪声水平有所增加。     

横向脉冲喷流超声速燃烧流场数值模拟与分析

为了研究横向脉冲喷流对燃烧室流场结构及燃烧特性的影响,对带后台阶的超燃冲压发动机燃烧室横向氢气喷流超声速燃烧流场进行了数值模拟。采用有限体积法求解多组元Navier-Stokes (NS)方程,分别对定常喷流与两种脉冲喷流超声速燃烧流场进行了数值计算,对比分析了三种氢气喷注方案下的流场结构、氢气掺混燃烧特性及燃烧室总压恢复特性。研究表明:脉冲干扰仅对燃烧室内局部流场产生周期性影响,且有利于氢气的横向扩散;采用与定常喷注喷流参数相同的脉冲喷注方案时,可在脉冲干扰区内保持氢气掺混量与定常喷注基本相同,氢气燃烧量与总压恢复系数整体上与定常喷注基本一致;采用特征时间内喷出氢气质量流量与定常喷注相同的脉冲喷注方案时,在燃烧室出口处氢气掺混量和燃烧量较定常喷注分别提高了21.94%和32.24%,总压恢复系数仅减小4.17%。采用脉冲喷注方案增加了燃料与空气接触面面积,对燃料掺混及燃烧起促进作用。     

高超声速主流中横向喷流干扰非定常特性研究

脉冲发动机产生的横向喷流往往伴随着非定常效应,由于其持续时间非常短,给流场模拟和测量带来很大的困难.目前在地面设备中难以进行精确的试验,本文采用数值模拟方法对横向喷流的非定常效应进行了研究.重点对发动机启动和关车过程中典型时刻的流场进行了细致的刻画,分析了流动参数和模型气动力系数的动态变化过程,并给出了喷流压比和攻角变化所带来的影响.研究表明,喷流启动和关闭过程中,飞行器所呈现出的动态气动特性与稳态喷流时有着明显的差异,尤其是压心位置和法向力系数将发生显著的变化.在飞行器设计中,必须从安全控制的角度出发,考虑这一非定常效应的影响.     

横向喷流干扰中的真实气体效应研究

建立了包括湍流、两相流和非平衡化学反应模型的统一算法,并对横喷干扰流动中的高温异质喷流、两相流、非平衡燃烧效应分别进行了计算分析。研究表明,非平衡燃烧效应对干扰流场及模型气动力的影响最大,高温异质喷流次之,两相流效应的影响最小;非平衡燃烧是引起冷、热喷条件下轴向力系数出现明显差异的最主要因素;虽然固相颗粒本身对干扰流场影响非常小,但它会从造成气相质量流率损失的角度对流动产生影响。因此,在风洞试验的模拟准则中应对上述因素予以考虑。     

高温风洞气氧/煤油燃烧加热装置设计与试验

高温风洞是开展飞行器热防护技术研究的重要试验设备。为满足在高温风洞前端长时间生成大尺度、高焓、高速气流的试验需求,提出了一种基于气氧/煤油燃烧的高温流场生成装置。装置采用火炬式点火器点火启动,通过使用气液同轴离心喷嘴以及分区隔板的喷注器进行燃烧组织,并由可替换的型面射流喷管实现大尺度均匀流场的生成。30kg/s量级加热装置千秒热试车调试结果表明,该装置能够实现快速点火并长时间维持大尺度稳定流场的生成,在飞行器热防护地面试验技术领域将有良好的应用前景。     

NNW-HyFLOW高超声速流动模拟软件框架设计

NNW-HyFLOW在国家数值风洞（NNW）工程支持下,由风雷开源软件提供基础框架支撑,将建设成为基于结构/非结构混合网格,面向高超声速应用领域的国产自主工业CFD软件,具备高温气体热化学非平衡效应模拟及其相关气动力、气动热和气动物理特性计算分析等主要特色功能。本文从框架设计、数据结构、耦合方法、并行计算方法以及接口设计等方面对软件设计思想和框架特点进行了介绍,给出了求解器采用的理论模型、核心数值算法及其实现方法,结合HEG风洞试验、RAM-C飞行试验、Electre飞行试验以及航天飞机OV102飞行试验等典型算例开展了数值模拟。研究表明：NNW-HyFLOW具有底层代码复用、功能兼容性好、扩展能力强和接口灵活等优点,其当前测试版本已经具备了较好的高超声速非平衡流动数值模拟能力,在热化学非平衡效应及其影响的气动力特性、气动热环境和等离子体分布特性预测与评估方面,具有较高的数值计算精准度,初步满足了高超声速复杂飞行器高温非平衡流动数值模拟的需求。     

航空燃油类型对催化惰化系统性能的影响

在设计了一种催化惰化系统流程并描述其工作原理的基础上,以从油箱中抽吸气体的摩尔流量为基准,推导了流经催化反应器后各气体组分的流量关系,通过质量守恒方程及气体平衡溶解关系,建立了油箱气相空间气体浓度变化的数学模型。选择了RP-3、RP-5和RP-6燃油作为对象,用所建立的数学模型计算了不同载油率和催化反应器效率下的气相空间氧浓度变化关系。研究显示,由于3种燃油的蒸汽压不同,造成从外界环境补气及进入油箱的混合惰气流量不同,从而导致气相空间氧浓度的变化规律差异远大于采用中空纤维膜的机载惰化系统。因此,在设计催化惰化系统时要充分考虑燃油类型对惰化系统性能的影响。     

舰面飞机尾喷流对进气道温度场影响的仿真分析

舰载机在加力起飞时通过舰面安装的偏流板将高温尾喷流引向空中排出,避免了高温尾喷流损伤舰面工作人员和舰载设备,但一部分高温尾喷流与偏流板碰撞后的回流受发动机抽吸作用的影响,容易被进气道吸入,导致发动机推力降低,严重时诱发发动机喘振,危害舰载机的使用安全。为了获得高温尾喷流与偏流板碰撞后的回流场流动机理以及参数影响规律,采用数值仿真分析方法开展了研究。首先,通过公开的试验数据验证了仿真分析方法的准确性;然后,完成了舰面环境下某型舰载机双发尾喷流冲击偏流板后的流动机理和温度场特征分析,获得了高温气体被进气道吸入的动态流动特性和进气道出口的温升率;最后,通过研究发动机转速不对称、来流风速、尾喷口到偏流板距离等参数对进气道出口温度畸变强度的影响规律,获得了尾喷口到偏流板的距离对回流场整体强度与分布起决定作用,以及进气口的位置影响进气道抽吸流场与回流场的耦合特性这一结论。     

高温燃气热环境模拟方案仿真研究

提出了利用亚声速高温燃气流进行近空间高超声速飞行器气动热环境地面模拟的试验方法,在试验装置试验段,亚声速高温燃气流引射常温空气,使试验中头锥温度分布符合某高超声速飞行状态下气动热分布的规律;应用FLUENT对12种试验工况进行了数值分析,计算结果表明此设备方案下头锥驻点温度低于燃气温度,改变设备引射比可以实现试件后部区域温度的大范围调节,设备可以在一定精度内对高超飞行器相关部件进行气动热环境模拟.      

活塞式合成射流技术及其应用研究

设计了活塞式合成射流激励器,研究了合成射流特性及其影响因素,并在高速风洞中开展了合成射流应用于空腔流场气动噪声抑制的试验研究。研究结果表明：合成射流激励器设计合理,能够得到较高速度的射流,正向射流速度极值约160m/s;合成射流频率与激励器激励频率一致;激励器频率、活塞行程以及射流出口形状等参数会对合成射流速度极值产生明显影响;合成射流速度对射流出口厚度变化不敏感;该方法对空腔流场气动噪声的抑制效果与马赫数关系密切,跨声速条件下,采用该方法进行流动控制能够改善空腔流场的气动声学环境,而超声速时该流动控制方法基本失效。     

垂直轴风力机桨叶气膜加热的数值研究

为观察风力机叶片在前缘开孔和不开孔两种情况下旋转叶片表面成膜情况,基于双向多流管理论模型,采用 MATLAB 软件编写程序及 Fluent 进行数值模拟,将程序计算结果与数值模拟结果进行比对,基于数值模拟分析两种模型在不同孔射流速度下的气动特性及流场情况。结果表明,数值模拟能够很好地反映流场特性,在来流风速及转速一定的条件下,孔射流速度过大会极大地削弱旋转叶片的气动性能,过小又不能形成很好的气膜保护。研究结果对 H 型垂直轴风力机防除冰叶片的设计具有一定的参考意义。     

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。