电弧风洞CO2介质运行分析

为开展金星和火星探测器地面防热试验研究,通过对CO2气体平衡成分分析、喷管流场计算和风洞运行能力分析,评估了电弧风洞模拟探测器进入CO2大气环境时的防热试验能力。首先采用平衡常数法计算分析CO2气体在不同温度和压力下的平衡成分,接着利用一维等熵理想气体模型分析喷管内平衡流和冻结流2种流态下的流场参数,最后计算CO2介质运行时喷管出口的驻点参数,评估驻点压力和驻点热流的包络性能。结果表明:电弧风洞CO2介质运行时气流在加热器内含碳量高达30%,并可能在水冷壁上沉积,降低设备绝缘性能和换热效率,给设备安全运行带来隐患;在平衡流和冻结流2种流态下,喷管出口气流中均含有CO和O2,且CO含量高达50%,为保护下游的真空设备和人员安全,防止反应生成的CO浓度达到爆炸极限,给出了在扩压器补充惰性气体钝化的初步方案。     

电弧风洞喷管壁温对平板试验的影响研究

为研究电弧风洞喷管壁面温度对平板试验的影响,研制了隔热半椭圆喷管,采用电弧风洞半椭圆喷管平板试验的方法,将喷管长轴边与平板试验模型连接,使气流延伸到模型表面进行试验。喷管扩张段水冷壁面在试验初始时期（冷壁）和壁温上升（热壁）条件下,试验研究了平板测试模型表面冷壁热流和平衡温度的变化。结果表明:在喷管来流焓值1.00～2.55 MJ/kg范围内,相对于冷壁,热壁模型表面冷壁热流增加4.7%～15.0%,平衡温度最大升高4.24%。因此,热防护试验时应考虑喷管壁面温度对平板试验结果带来的影响,需要提高来流焓值。     

高焓电弧风洞试验热化学非平衡流场数值模拟

针对高焓电弧风洞内部流动的热化学非平衡效应及气体组分和振动能量冻结效应导致的试验数据外推困难问题,基于高焓风洞喷管/试验段/试验模型一体化数值模拟的思路,通过数值求解三维热化学非平衡Navier-Stokes方程,开展了FD-15高焓电弧风洞典型运行状态下流场的数值模拟,与典型试验状态的气动热数据进行了对比验证,研究了试验数据外推飞行条件的方法及有效性问题,分析了提高驻室总压对试验数据外推的影响。研究表明:（1）风洞试验段来流离解度高,热化学非平衡效应及其冻结现象严重;（2）热流校核试验测量数据位于一体化数值模拟的完全催化热流和非催化热流之间,分布合理,验证了计算方法和程序的正确性;（3）试验模型安放位置对模型表面压力和热流存在影响,模型与喷管出口的距离越大,模型表面压力和热流越低;（4）当驻室总压较低时,通过双尺度模拟准则（模拟飞行条件总焓和双尺度参数ρ_∞L）外推热流失效,使用部分模拟准则（模拟飞行条件总焓和驻点压力）外推热流也会出现较大差异,在非催化条件下这一现象更加明显;（5）当驻室总压较高时,使用双尺度模拟准则或部分模拟准则外推飞行条件,产生的热流差异明显减小。     

马赫数连续可变跨声速湿蒸汽风洞的研制

用于跨声速气动测量的探针须从亚声速到超声速范围进行标定。变质量槽式喷管通过扩张段壁面上槽缝流出部分气流的自适应特性可在不同背压下得到不同出口马赫数,从而使标定气动探针的风洞实现马赫数从0到超声速的连续变化。为了研究采用湿蒸汽为工质的变质量槽式喷管的性能及优化其结构,采用三维犖-犛方程以及可实现犽-ε湍流模型对其进行了详细的数值仿真。结果表明收缩段型线、扩张段长度及壁槽尺寸等对喷管流场特性有重要影响,喷管进出口压比在一定范围内,槽式喷管有最优的收缩段型线、扩张段长度和开槽尺寸。根据数值仿真结果研制了马赫数从0到1.6连续可变的跨声速湿蒸汽风洞,对此风洞性能进行验证,表明该风洞在马赫数从零到超声速范围内可获得均匀、稳定的出口气流,满足跨声速湿蒸汽气动探针的标定要求。     

导流片对大形状比出口弯曲混合管引射性能影响的数值研究

采用数值模拟方法对波瓣喷管-大形状比出口弯曲混合管引射系统进行了流动分析,重点研究导流片数目(n)和出口角(β)对引射性能的影响。与常规无导流片情形相比,出口导流片改善了混合气流在排气出口附近的均匀性,降低了喷管出口截面二次流流通的静压;引射系数随导流片数的增加呈现单调增大的趋势,在导流片数达到8以后继续增加导流片数量,引射系数变化微弱,相对于无导流片情形引射系数的增幅最大可达20%左右;引射系数随导流片出口角的增加而呈现出先增大后减小的趋势,存在一个相对较优的导流片出口角范围,在出口角度为78°左右时可以获得高的引射系数和总压恢复系数。     

纯净空气来流下的超声速燃烧实验装置及其初步实验结果

采用电阻加热的连续式实验设备,在燃烧室进口气流为高温纯净空气、马赫数Ma=2、总温Tt=1000K,总压Pt=0.8MPa条件下,进行了不同当量油气比的氢和乙烯燃料的超声速燃烧室直连式实验.采用从壁面垂直于主流喷射燃料和以氢作为先锋火焰,实现了乙烯燃料的可靠点火和稳定燃烧.实验测量了燃烧室的壁面压力、空气流量、燃料喷射压力、喷管进口总温等参数,并拍摄了燃烧室出口火焰.本文实验采用的电阻加热设备具有实验介质无污染、稳定运行时间长、工作性能稳定、成本低、操作简单等优点,其主要部件电阻加热器出口的最高温度可达600~1000K,对应的流量为1.5~0.73kg/s、加热器功率为750KW.     

利用喷管引射和旋翼下洗的红外抑制器特性研究

在波瓣引射器一次引射掺混后,提出利用旋翼下洗气流对弯曲混合管排气进行二次强迫混合的红外抑制器结构,并对该红外抑制器进行了有关流动混合特性的实验和数值研究,获得了主流和引射气流、下洗气流相互混合过程中,混合管内部及抑制器出口处的温度场和压力场等相关信息,以及表征引射-混合系统总体性能的引射系数等参数。结果表明:引入下洗气流可以改善出口分布的不均匀性,经过波瓣喷管引射器泵吸周围空气掺混冷却和利用旋翼下洗气流进行二次冷却,可以有效使排气温度降低50%。     

燃油冷却面板传热特性试验与计算分析研究

采用热电偶测温、气壁红外测温及燃油样品裂解度测量等多种手段,在DJ-21电弧加热器上进行了燃油冷却面板传热特性试验.进行了共计19次燃油冷却面板传热特性试验,试验高状态对应平均热流为1.6MW/m2,低状态对应平均热流为1.1MW/m2;用于冷却的燃油质量流率为1.84~5.8g/s.为了反映冷却面板热流密度分布,以喷管三维流动计算结果作为输入条件,将计算得到的热流密度与试验测量的冷壁热流密度比较,用以确定流场计算方案、流场切取方案和热流密度计算方案.发展了冷却面板稳态准三维热分析程序,将等效热流对应的冷壁对流换热系数和燃气总温作为高温燃气侧的边界条件.使用热分析程序完成了相应的计算.通过试验与计算数据对比研究,表明热分析计算的可信性.试验验证了冷却面板的设计与加上是可行的.     

高超声速风洞两级引射器气动性能试验研究

以中国航天空气动力技术研究院（CAAA）FD-07风洞为对象,进行了马赫数5~6时两级超声速引射器气动性能试验研究。通过二级引射器单级调试、两级引射器联调、主-次流混合调试,获得了引射器运行时的相关数据。通过试验数据分析,得出如下结论:（1）在FD-07风洞引射器马赫数5~6试验中,一级引射器运行压力0.8MPa、二级引射器运行压力1.0MPa时,引射器运行效率较高,中压气源消耗较少;（2）超声速引射器用于维持风洞运行压比,而风洞驻室低压环境（即试验模拟高度能力）主要由主气流状态决定,与引射器关系不大;（3）一级超声速引射器能对主气流干扰、二级超声速引射气流干扰起到很好的隔离作用。进一步明确了FD-07风洞引射器的运行状态,优化了引射器运行压力方案。     

高温含水气流条件下燃烧室材料考核的电弧加热试验模拟方法

在燃烧室的内流热环境下,燃烧室壁面的部分防热材料(如 C/SiC 或超高温陶瓷)与碳氢燃料燃烧产物水蒸气发生的氧化反应速率比与空气中的氧气还要快。水蒸气的存在加剧了防热材料的氧化。另外,水蒸气还能与材料表面玻璃状的 SiO2保护层发生挥发性的化学反应,破坏了 SiO2保护层。这些因素对燃烧室防热材料的防热效果有明显的影响。本文采用等离子电弧加热矩形湍流导管试验方法模拟超燃冲压发动机燃烧室的内流热环境,并在试验喷管前的混合稳压室内横向喷射4%~5%的常温水与高温气体混合,模拟燃烧室内水蒸气的组份、浓度和温度,采用数值计算的方法分析混合稳压室内水与高温气体的掺混程度,研究含水的高温气体的总温(总焓)计算方法。     

比热比和压比对高超飞行器尾喷流影响的实验研究

采用比热比为1.25的四氟化碳和空气的混合气体,模拟了超燃冲压发动机出口高温燃气的比热比。采用模型内喷管模拟发动机内喷流,风洞流场模拟飞行器外流。在0.5m常规高超声速风洞中,建立了模拟吸气式高超飞行器热态尾喷流干扰研究的实验手段,开展了喷流比热比对吸气式高超声速飞行器后体区域气动性能影响的实验研究。比较了相同外流和喷流落压比条件下,纯空气和混合气体喷流在喷流干扰区域的压力分布及流场结构。结果显示,混合气体喷流和空气喷流在喷流干扰区域的流场及表面压力分布差别明显。实验证实了喷流比热比是一个不可忽视的重要因素,在研究吸气式高超声速飞行器喷流干扰问题时应准确模拟。     

利用M1.4喷管和开孔壁试验段实现低超声速流场实验研究

在FL-26y风洞中利用M1.4喷管和开孔壁试验段进行了实现低超声速流场的实验研究工作.通过实验研究验证了利用M1.4喷管在开孔壁试验段上建立起的低超声速流场的流场品质能够满足国军标合格指标的要求.实验还考察了不同稳定段总压、驻室抽气量等开车参数以及不同试验段扩开角、主流引射缝开度和开孔壁开孔率等洞体条件对流场的影响,为2.4m×2.4m跨声速风洞增设M1.4喷管,拓展该风洞试验马赫数的范围,使其具备M1.4的低超声速试验能力提供了技术支持,同时也为该风洞在下一阶段正式开展M1.4流场调试提供了可供参考的调试参数.     

稳态焓探针的优化设计与试验验证

针对高超声速飞行器地面防热试验高精度总焓测量需求,研制了一种带热防护罩的稳态焓探针。基于能量平衡原理设计了稳态焓探针测量系统,采用有限元方法分析了焓探针采样管长度、壁厚以及冷却水流向、流量对焓值测量误差的影响,优化设计了焓探针的隔热结构和水气流量。在电弧加热器流场中开展了验证试验,结果表明:该稳态焓探针参数设计合理且隔热结构性能良好,重复性精度优于2.6%,与驻点热流Fay-Riddell法比较,最大偏差为13.0%。     

高稳定性电弧等离子体超声速喷管流动装置

笔者在已研制的壁稳电弧等离子体发生器基础上,改进了阳极结构、加置Laval喷管,建立了一套可长期连续运行的高稳定性电弧等离子体超声速喷管流动装置,超声速电弧射流的不稳定度为1％(纯氩)和3％(氮氩),电弧射流具有很好的稳定性、再现性和对称性。测量表明：超声速电弧射流的电子温度沿流动方向呈现出波浪形周期升降的变化规律。     

氢/空气超声速燃烧研究

Ｈ２／Ａｉｒ在两种不同的燃烧室尺寸、七种燃烧喷注方式下进行了系统的超声速燃烧实验。实验空气的滞止温度在２０００Ｋ左右,滞止压力１～１．４ＭＰａ,总流量２ｋｇ／ｓ,燃烧室进口马赫数２．５,可以模拟飞行Ｍ数为７的超燃冲压发动机中的燃烧工况。新开发的一维超声速燃烧程序ＳＳＣ－１可以估算出燃烧室内的流场参数、燃烧效率和总压损失。计算结果与实验进行了比较,发现较好的一致。实验结果表明,利用垂直喷射,燃烧效率可以超过８０％,同时不引起严重的总压损失。由燃烧室壁面静压分布与燃烧效率的分析发现,燃烧室燃料注射位置应避免过于集中,宜分散按规律分布,使燃烧室静压分布尽量平直以获得高燃烧效率。     

超声速喷管起动过程激波结构演化特征

通过改变进出口压比,对马赫数2.7的二维对称拉瓦尔喷管流动进行了试验研究,给出了超声速喷管起动过程中的激波结构演化特征。在试验过程中,固定喷管喉道出口面积比,改变喷管上下游压比,使喷管起动激波从喉道发展到喷管出口处,逐渐过渡到设计工况。在起动激波向下游发展的过程中,喷管内流动经历了教科书上给出的理论过程:喉道正激波、扩张段内正激波、喷管出口马赫反射、喷管出口规则反射、设计工况等;但由于附面层的存在,每一个过程与无粘情况下的激波示意图都有所不同。比如,试验中捕捉到的激波串在向下游的移动过程中,出现的由λ型激波向Х型激波的转变,以及激波串非对称现象的出现等。基于纹影和剪切敏感液晶摩阻显示技术获得了起动激波串的首道激波的三维特征。     

高温热管在热防护中应用初探

介绍了高温热管在热防护中的应用原理,并利用电弧加热风洞产生的高温、高速气流,模拟高超声速飞行器高温区的气动加热环境,对一种装有高温热管的简单的球柱形原理性模型进行了加热试验.利用高温红外测温装置对模型表面的温度进行了测量,通过与普通复合材料制成的模型试验结构的对比分析,发现高温热管能够有效地将模型高温区热量传导到低温区.装有高温热管模型的驻点温度明显降低,显示出了良好的防热效果.     

一种缩短碳氢燃料-空气混合物点火延迟的方法

采用激波风洞-激波管组合设备对预混的碳氢燃料——空气混合物的点火与超声速燃烧进行了研究。为缩短碳氢燃料-空气混合物的点火延迟时间，通过激波风洞喷管入口与接触面之间的激波反射对经过雾化与气化的碳氢燃料(汽油)进行预热；此外，由燃烧驱动激波管产生的高温燃气作为引导火焰点燃激波风洞产生的预混与预热的超声速碳氢燃料——空气混合物。采用纹影系统对超声速可燃气流中的火焰传播进行流场显示。实验结果表明，上述方法可将碳氢燃料——空气混合物的点火延迟时间缩短至小于0.2ms，同时还得出了火焰相对于超声速可燃气流的传播速度。     

验证灰尘气体中驻点热流率增大机理的方法

笔者介绍了一种验证灰尘气体中驻点热流率增大机理的方法。在灰尘负荷率相同 ,微粒速度相近条件下完成激波管 2e区实验气流分别为亚声速与超声速的实验。实验结果表明 ,含灰气流中驻点热流率增大只与灰粒速度有关。