高超声速流动稳定性及转捩工程应用若干研究进展

流动稳定性及转捩是高超声速流动研究的热点和难点,近年来在理论基础研究方面取得了很大进展,但在工程应用方面还存在明显的不足。本文回顾了近年来高超声速流动稳定性及转捩在工程应用研究的若干进展,介绍了流动稳定性在复杂外形流、非平行流、局部突变流、强三维流方面的工程化拓展研究,总结了转捩预测e^N方法在感受性、积分方法、转捩判据、软件开发方面的工程化研究进展;结合风洞试验、弹道靶试验、飞行试验,对零迎角锥、椭圆锥、小迎角锥和大迎角锥的典型案例进行了应用;展望了高超声速流动稳定性和转捩在工程应用的未来。     

高超声速下表面凸起干扰气动热实验研究

 对高超声速飞行器表面凸起附近的气流流动和气动加热开展了实验研究和分析。实验在高超声速炮风洞中进行,来流马赫数为8.2、单位雷诺数为9.35×10⁶ m^-1。利用薄膜传热测量方法进行了凸起几何形状和边界层状态对干扰流动加热的影响评估。利用流油图谱和纹影摄像法得到了凸起周围的流动特征:若凸起上游边界层未分离,最大峰值热流发生在凸起侧方附近处;若凸起上游边界层完全分离,最大峰值热流通常发生在凸起的上游表面。实验发现最大峰值热流和来流边界层状态关系不大,原因是流动干扰区表现出较强的三维扰动特性,使得来流层流边界层在干扰区内会转变成过渡甚至完全湍流状态。     

高超声速边界层转捩机理及应用的若干进展回顾

高超声速边界层转捩对飞行器的热传递、表面摩阻和流动分离等有重要影响,尤其是再入飞行器和吸气式巡航飞行器。然而,人们对边界层转捩机理中的很多问题认识还不清楚,或存在争议。本文从扰动波演化的角度回顾了高超声速边界层感受性、线性稳定性和非线性作用的国内若干研究进展,并以基于谐波共振的人工转捩技术为例示范了这些机理认识在转捩控制上的应用。扰动的产生和发展是认识边界层转捩机理的核心。通过研究扰动波来认识边界层转捩机理,开展应用创新研究对提升飞行器性能具有重要意义。     

一种鼻锥钝化高超声速轴对称进气道流动特性实验

前缘钝化尺度是高超声速进气道设计中的关键参数。针对一种前体锥加弯曲压缩面的高超声速轴对称进气道,选取最大尺度为3.2mm(5%唇缘半径)的几种典型鼻锥钝化半径,在马赫数Ma=6来流,及模型安装攻角为0°、4°、7°的条件下开展鼻锥钝化尺度对进气道流动性能影响的实验研究。采用纹影拍摄及压力测量记录各来流条件下进气道前体流场结构及壁面压强分布,并在无攻角来流条件下利用微型扰流器进行边界层强制转捩研究。结果表明,对无攻角来流而言,即使是尺度高达3.2mm的钝化半径对进气道前体流场结构及壁面静压分布也基本没有影响。此来流条件下,几种不同鼻锥钝化半径的前体压缩面均出现小范围流动分离,而添加扰流器后该分离区均消失。钝化尺度的影响随着攻角的增加而显现,尽管不同鼻锥钝化尺度下迎风面流场及壁面压强分布几乎没有差别,但背风面随钝化尺度增大表现为边界层明显增厚、流动趋于不稳定。其中最大钝化尺度R=3.2mm的构型在4°攻角来流时背风面即出现明显的分离区,而7°攻角来流时背风面更是出现大范围流动分离、进气道背风侧不起动,并导致进气道内部壁面压强显著下降。     

高超声速飞行器气动弹性力学研究综述

高超声速飞行器设计上的特点带来了一系列的气动弹性新问题。本文回顾高超声速飞行器气动弹性研究的历史与现状,着重介绍和分析了高超声速非定常气动力计算方法、热环境下的气动弹性问题、壁板颤振、推力影响下的气动弹性稳定性问题以及气动推进/气动弹性耦合的多学科交叉问题,相关的主动控制方法的研究进展亦有所介绍。在已有气动弹性问题研究发展的基础上,提出了高超声速飞行器在气动弹性领域需要解决和关注的若干问题,包括高超声速气动弹性试验、燃料消耗的质量变化对于飞行器气动弹性特性的影响以及气动弹性力学与飞行力学综合等方面。     

高超声速流动粘性干扰效应研究

基于边界层相似性理论,开展了高超声速流动粘性干扰效应的相关性分析,得到了粘性干扰造成的物面压力系数改变量与粘性干扰因子成正比的结论。通过对升力体简化外形的高超声速绕流流动的模拟,分析了粘性干扰效应对气动力/力矩的影响,计算结果表明:由粘性干扰导致的气动力系数的改变量与粘性干扰因子在特定范围内具有良好的线性关系。     

高超声速风洞小滚转力矩测量技术研究

 简介了小滚转力矩测量技术 :小滚转力矩天平、自由滚转法,重点介绍了气动中心高速所研究的气浮天平技术,气浮天平技术具有小滚转力矩天平经济、直观的优点,同时具有自由滚转法精度高的优点。在微量滚转力矩的测量中,角度偏差和同轴度偏差将直接影响到滚转力矩的测量精度,应根据滚转力矩的测量精度对角度偏差和同轴度偏差进行控制。     

基于亚燃的高超声速冲压发动机内流道研究

为了研究亚燃冲压发动机在高超声速条件下工作的性能,采用总体性能计算方法和流体力学仿真对基于突扩燃烧的高马赫数亚燃冲压发动机内流通道进行匹配设计研究,得到了其速度特性和调节特性。结果表明,设计出的亚燃冲压发动机在高超声速范围内性能良好,能够正常工作。在接力点处,马赫数Ma=3.5,高度H=12km,得到最大推力系数为0.649,此时比冲为13 801.2N·s/kg;在巡航点处,Ma=5.0,H=21km,发动机余气系数α=1.8时,得到推力系数为0.370,此时最大比冲为12 574.0N·s/kg。研究认为,最大飞行马赫数为5~6的高超声速冲压发动机采用亚燃是可行的。     

高超声速边界层转捩的若干问题及工程应用研究进展综述

高超声速飞行器绕流存在着激波、边界层、流动分离、稀薄气体效应和高温气体效应等多种复杂流动现象的空气动力学问题,其中高超声速边界层转捩既是空气动力学的基础问题,也是高超声速流动研究的热点和难点。若能对边界层转捩进行准确预示及有效控制,则可以实现对飞行器气动力热特性的精细设计,改进飞行器性能,提高任务执行能力。文章针对工程中具有复杂外形飞行器存在的典型失稳特征进行了研究进展回顾,提出了工程实际中亟需解决的复杂边界层转捩问题,明确了高超声速边界层转捩研究的工程应用方向。文章最后还对高超声速边界层的流动控制进行了回顾,以期在今后高超声速飞行器设计中实现对边界层的流动控制,提高飞行器的飞行性能。     

基于新的经验关联公式的γ-Re_θ转捩模型在高超声速流动中的应用

为提高γ-Reθ转捩模型在高超声速流动下的转捩预测精度,参考部分高超声速风洞的实验数据对该模型进行改进,在原始经验关联公式的基础上提出了转捩动量厚度雷诺数基于马赫数、湍流度、压力梯度因子的经验关联公式;选取高超声速平板绕流、高超声速圆锥绕流等算例对提出的经验关联公式进行了验证,并将原始经验关联公式和提出的经验关联公式计算得到的重要参数进行对比,分析了提出的公式的作用机理。结果表明:基于低速不可压流动经验关联公式的γ-Reθ转捩模型在高超声速流动中计算得到的流场中Reθt分布偏低(一般只有真实值的40%~60%),进而导致边界层内Reθt偏低而过早达到转捩触发准则,与实验值相比所预测的位置可能提前10%(以参考长度为基准)甚至更多。新的经验关联公式有效地改善了这一问题,计算结果与实验值符合得更好。     

高超声速流动分区对接网格算法研究

本文发展了一种能适应强间断流场的满足通量守恒的分区对接网格算法，并给出了保证通量守恒的通量插值系数应满足的条件。采用有限差分NND格式，求解层流NS方程，数值模拟了马赫数6—20绕圆柱的高超声速粘性流场。数值试验表明：方法具有良好的稳定性和收敛性，强激波能自由地穿越内边界。     

电离对高超声速稀薄流飞行器气动热影响

将电离反应模型扩展到（direct simulation Monte Carlo,DSMC）方法中,研究了电离反应效应对高超声速稀薄流飞行器气动热的影响特性.针对稀薄流场中电子出现带来的实际困难,引入“捆绑法”思想处理电子在流场中的运动,并给出了电离反应模型及电离反应处理方法.在以RAM-C Ⅱ飞行器外形为例对增加了电离反应的DSMC代码进行验证的基础上,以“星尘号”探测器外形为研究对象,针对不同飞行高度下5组元混合气体模型（无电离）和11组元混合气体模型（含电离）的化学非平衡流动开展了数值模拟,细致分析和对比了电离反应效应对探测器气动热的影响规律.研究结果表明:采用的电离反应处理方案能够模拟带电离反应的高超声速化学非平衡稀薄流动.在飞行高度为60km时电离反应对探测器气动热的影响最为强烈,使探测器的驻点热流密度降低了5.12%,电离反应对探测器气动热的影响随气体稀薄程度增加而减弱.      

高超声速高焓风洞试验技术研究进展

高焓风洞及其试验技术是助力人类进入高超声速飞行时代的基石,近年来取得了长足的进展。本文首先重点介绍了四种典型驱动模式的高焓风洞,即直接加热型高超声速风洞、加热轻气体驱动激波风洞、自由活塞驱动激波风洞和爆轰驱动激波风洞。通过这些代表性风洞的介绍,讨论了相关风洞的理论基础和关键技术及其长处与不足。由于高超声速高焓流动具高温热化学反应特征,风洞试验技术研究还包含着针对高焓特色的测量技术发展。本文介绍了三种主要测量技术:气动热测量技术、气动天平技术和光学测量技术。这些技术是依据常规风洞试验测量需求而研制的,又根据高焓风洞的特点得到了进一步的改进和完善。最后对高超声速高焓风洞试验技术发展做了简单展望。     

高超声速流动中噪声与湍流度的关系

在不可压缩流动中,湍流度对流动失稳与转捩的影响机制有很多研究成果,已发展了一些依据其大小预测流动转捩的模型应用于工程设计。但在高速可压缩流动中,湍流度很难测量,给该速域的流动转捩预测建模带来困难。近年来的研究表明,高速流场（马赫数≥3）中的噪声是影响流动转捩提前与推迟,甚至决定转捩途径的关键因素。但流场噪声与湍流度对流场的激励机制有没有内在联系,或流场噪声与湍流度理论上是否存在相互关联,迄今仍缺少理论分析结果。由于可压缩流场中噪声的测量相对容易,因此探讨流场噪声与湍流度之间的定量关系具有重要的理论意义和实用价值。讨论了Euler系统中各类双曲波特性,重点分析了流场声波中脉动压力与脉动速度的本质联系,从理论上得到了声压级与声致湍流度的关系。同时,为了对影响湍流度的因素有更全面的认识,导出了非声扰动与非声致湍流度的关系。为建立高速流动转捩预测模型和探讨天地一致性问题,奠定了一定的研究基础。     

用混合网格模拟绕X-38粘性流动

采用混合网格，利用DLR所发展的计算软件TAU对X-38高超声速粘性绕流进行了数值计算，网格自适应技术被用来生成有效的计算网格及提高对流场细节的分辨率。计算结果与现有的实验结果和用结构网格得到的结果吻合很好。     

近空间高超声速流场通量分裂型DSMC-IP方法

针对近空间高超声速流场的特点,采用Van Leer格式对直接模拟蒙特卡洛-信息保存(DSMC-IP)方法质量守恒方程中的计算格式进行改进.将局部马赫数作为分裂通量的标准,并重构单元分界面两侧的左右输运通量,使得计算格式具有通量分裂的特点,解决了DSMC-IP方法在高超声速流场计算中的应用问题.将改进后的通量分裂型DSMC-IP方法引入非结构网格中,对二维近空间高超声速流场进行数值模拟.计算结果表明:通量分裂型DSMC-IP方法所得出的数值结果与实验值及参考值符合较好,明显降低了直接模拟蒙特卡洛(DSMC)方法所带来的统计耗散.当来流气体的稀薄程度增加时,其非平衡效应也更加明显,而通量分裂型DSMC-IP方法的计算结果与参考值相差均在10%以内,良好地反映了非平衡条件下的流场特征,验证了通量分裂型DSMC-IP方法的可行性和有效性.      

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.     

高超声速稀薄流的气粒多相流动DSMC算法建模研究

基于直接模拟Monte Carlo(DSMC)方法,构造适用于DSMC算法的固态和液态颗粒碰撞、聚合和分离模型,发展稀薄条件下双向耦合作用的气粒多相流的DSMC算法,在此基础上初步实现高超声速稀薄流环境中的气粒多相喷流流场数值模拟.算例结果表明该方法能为稀薄过渡区气粒多相流动提供一种新的应用研究手段.     

高超声速气动热辨识技术实验研究

为估计高超声速飞行中的气动热流,采用热流辨识技术研究了平板表面的气动热流。首先采用仿真数据对辨识方法进行验证,结果表明,在测量噪声较低时热流辨识结果误差较小。此后,开展了平板的高超声速气动热风洞实验,通过内埋热电偶测量平板内部温度,采用热流辨识法获得平板表面的气动热流,采用辅助测点对比验证了内埋测点辨识结果的可信度。最后将辨识结果与平板边界层热流理论估算结果进行对比,分析了两者产生误差的原因。本文的研究为热流辨识技术的实际应用奠定了基础。     

高超声速复杂外形热流的NND有限元数值计算方法研究

有限元法是一种加权积分的方法,这个特点和权函数的特性使得有限元法在计算诸如热流(与温度的一阶导数相关)等物理量时有其内在的优越性.本文研究了高超声速复杂外形热流的NND有限元数值计算方法,并对高超声速球钝锥外形和带翼飞行器外形的绕流进行了数值模拟,算例结果令人满意.