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。     

跨音速洞壁干扰对翼型试验影响的实验研究

在南航NH-1三音速风洞进行了NACA0012翼型跨音速风洞实验,讨论了洞壁开闭比和模型尺寸对驻室参考点静压、翼型表面压力分布的影响。结果表明,开闭比和模型尺寸对驻室静压有明显的影响,开闭比对翼型表面压力分布有很大影响。在α=0°时,超临界流动条件下,开闭比从6变到0.5,翼型上表面激波位置向后移动范围达20％的弦长,开闭比为4时,翼型接近于无堵塞干扰。当α=1°和M_∞=0.759时。消除洞壁干扰的最佳开闭比为4。     

椭圆喷管设计与数值模拟

提出了一种椭圆喷管的设计思路,并对椭圆喷管流场与矩形喷管流场进行了对比分析。通过数值计算表明,在相同的驻室参数、相同的长度和出口面积条件下,椭圆喷管出口马赫数略高于矩形喷管。湍流和高温真实气体效应均降低了喷管的有效面积比,改变了喷管流场的膨胀波系,通过选择合适的喷管出口位置可以获得较好的试验均匀区。椭圆喷管作为高超声速风洞特种试验装置,可以有效利用加热器的能量,提高设备的参数模拟能力,可适用于大尺寸扁平状前缘、舵、翼等模型的防热试验和大宽高比的冲压发动机试验研究。     

半开口射流式超声速风洞驻室压力调节的新方法

本文介绍了应用主气流引射,在驻室开缝调节驻室压力的新方法,取代了用引射器引射,并调节驻室压力的传统方法,其结果扩大了调节压力比的范围,提高了调节精度,扩大了 FD-02 风洞喷管出口面积,实现了在小风洞中做大模型实验的目的。通过Ⅰ号战术导弹的燃气舵风洞气动力实验证明,气动力的测量精度提高两倍,力矩的测量精度提高3.34倍到4.0倍,而每次吹风所消耗的气源流量比原来的要减少一半以上。     

CARDC 2.4m引射式跨声速风洞设计与运行调试

中国空气动力研究与发展中心研制了可更换喷嘴的中压气体引射器 ,利用现有中压气源驱动 ,建成一座增压回流引射式跨声速风洞。试验段截面尺寸 2 .4m×2 .4m ,M =0 .3～ 1 .2。稳定段最高工作压力为 0 .45MPa ,最高模型试验雷诺数Rec=1 5× 1 0 6(M =0 .90 ,C =0 .2 4m) ,稳定吹风时间≥ 1 5s。风洞气动回路上分别配置有多喷管引射器、栅指扩散段、跨声速试验段驻室抽气系统及特殊的主排气系统等装置。采用智能自适应解耦控制技术 ,实现总压和M数独立、快速、精确地控制。该气动布局与部段配置及其功能设计 ,在国内跨声速风洞中均是首次采用。     

JF-10氢氧爆轰驱动激波风洞自由流的测量和诊断

针对JF-10氢氧爆轰驱动风洞运行的高焓高速状态,采用吸收光谱技术、皮托压力瞬态测量技术、电离探针等的测试方法,测量了自由流中一氧化氮的含量和离子浓度、皮托压力及其沿喷管出口半径方向的分布。并根据以上各项测量结果判断了自由流的非平衡程度。     

基于混合网格上的高温非平衡流的数值模拟

新一代再入飞行器及空间传输系统需要了解其飞行时的气动问题及热力学问题。数值模拟高空、低密度、高熵及非平衡流动是一具有挑战性的问题。本文针对带座舱飞船高超声速再入大气过程中存在的严重气动加热现象,利用混合网格及Osher逆风格式,数值求解了三维化学非平衡Navier-Stokes方程,其中化学模型是5组分1 7个化学反应的空气化学模型,对带座舱飞船再入高度为40 km和马赫数为2 0 ,1 0的化学非平衡流场进行了数值模拟,给出了迎角为0°和2 0°情况下的各个组分的密度分布、压力等参数,并与量完全气体的计算结果进行了比较。     

2.4m×2.4m引射式跨声速风洞

正在兴建的2.4m风洞是一座增压回流引射式跨声速风洞。试验段截面尺寸2.4m×2.4m，M＝0．5（0．3）～1．2，1．4（1．8），工作压力最高可达4．5×105Pa。风洞由多喷嘴中压气体引射器驱动。稳定段工作压力由位于风洞主排气系统中的四个主排气阀控制。气流M数分别由栅指或驻室抽气系统控制。精度可达△M=0.002。吹风耗气量仅为相同尺寸的下吹式风洞的1／4。该风洞是发展我国载人飞船、新型歼击机及大型运输机等航空航天飞行器必不可少的重要配套试验设备。本文对风洞总体性能及技术方案的构思和风洞设计特点等方面内容作概要论述。     

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。     

钝体标模高焓风洞试验和飞行试验相关性的数值分析

在高焓风洞喷管膨胀流动中,会出现组分和振动能量的非平衡冻结现象,给试验数据的分析、外推和使用带来困难。笔者选择有飞行试验数据的钝锥体ELECTRE作为高焓风洞试验的标模,用热化学非平衡Navier Stokes软件,计算了飞行条件和相应的考虑组分和振动能量的非平衡冻结效应试验条件的模型绕流流场,用双尺度参数ρL和Stanton数,分析试验条件下的热流数据外推飞行条件的问题。研究结果说明:在模型头部区域,保持总焓和双尺度参数ρL不变,热流数据从试验条件外推到飞行条件是可行的;在模型尾部区域,试验条件和飞行条件的Stanton数有较大差别,用双尺度参数ρL把热流数据从试验条件外推到飞行条件有较大误差。最后提出了用CFD设计高焓风洞试验条件的思路,并识别真实气体效应显著改变热流分布的高焓风洞试验能力区域。     

发动机三喷管流场和红外辐射特征数值研究

对火箭发动机三喷管喷流场和红外辐射特性进行了数值模拟,得到了三股燃气射流在射流起始段互相作用而产生的复杂流场特征。当射流喷出后,由于压力高于背压,气流发生膨胀,射流边界向内收缩,同时会产生压缩波以抑制因压力降低而产生过膨胀现象的出现;压缩波扩展并增强为激波,随下游距离增加,膨胀波及压缩波区的尺寸和波强不断削弱。一旦射流发展至下游26倍助推级发动机排气喷管直径处,三股射流将合并成为一股射流而继续发展。三喷管排气喷流的红外辐射强度空间分布与单喷管喷流的红外辐射空间分布基本一致,但三喷管的排气喷流和内腔的总体红外辐射在水平面和铅垂面上的空间分布存在显著的差异。     

超声速冷态流场液体射流雾化实验研究

采用全息诊断和高速纹影,对不同来流总压、来流马赫数、喷孔直径和喷射压力等条件下超声速冷态流场液体射流雾化进行了研究.初步了解了超声速流场中液体射流的雾化过程和机理,得到了射流的Weber数和Oh数等雾化参数,比较了不同条件下射流穿透高度的差异,得到了液滴平均直径和数量密度的空间分布.研究表明:射流表面不稳定波的增长是超声速流场中射流破碎的主要原因;射流与气流的动量通量比和喷孔直径影响射流穿透高度,动量通量比和喷孔直径增加都会增加穿透高度;实验中液体射流的雾化过程非常迅速,在喷嘴下游20mm处,直径0.5mm的射流就破碎成平均直径10μm左右的液滴群,随着液滴向下游运动,平均直径逐渐减小,平均直径和数量密度分布逐渐均匀.     

粘性相互作用对高焓激波风洞实验段自由流静压测量影响的分析

通过理论分析、实验测量和数值模拟,研究高超声速粘性相互作用对实验段自由流静压测量的影响.研究表明:由于粘性相互作用,高焓激波风洞实验段平板静压测量值远高于实际自由流静压.在热化学非平衡流情况下,经典的粘性相互作用参数和经验公式具有局限性.     

无人机回收气囊缓冲特性研究

用缓冲气囊的缓冲特性对无人机伞降气囊回收方式进行了研究,并以单个气囊为对象,分析了影响缓冲性能的主要因素,认为质量体积比ｍ ／ｖｉ 和排气口面积 Ａｎ 是决定缓冲效果的主要因素。在理论分析的基础上给出了质量体积比ｍ ／ｖｉ 的最优值,同时建立了排气口分析模型,推导出计算排气口面积的公式,实践证明其结果是正确的,对工程应用具有特别重要的意义。     

结冰风洞环境对喷嘴雾化特性的影响初步研究

喷雾系统是结冰风洞中进行云雾参数模拟的核心设备,其雾化喷嘴的性能直接影响结冰风洞试验段平均水滴直径(MVD)、液态水含量以及云雾均匀性等关键技术指标。结冰风洞运行过程中的压力、温度、风速以及雾化水滴的温度、初始粒径等均会对进入试验段的云雾参数的最终状态产生影响。在0.3m×0.2m 结冰风洞和喷嘴低压试验台上,针对不同风洞运行环境对喷嘴雾化性能的影响进行研究,测量了风洞运行的压力、气流速度、雾化水滴的温度、初始粒径等对粒子蒸发速率及喷嘴性能包线的影响。研究结果表明:风洞的气流环境对云雾粒子的 MVD值影响较大;风洞的气流速度及粒子的初始温度越高,云雾粒子的雷诺数越大,其蒸发速率越大;环境压力对喷嘴的粒径和包络线影响较大,随着环境压力的降低,喷嘴的流量-粒径包络线整体收窄,但对喷嘴的流量影响不大。     

高速风洞一体形式的喷流影响试验技术研究

详细介绍了FL-3风洞一体形式的喷流影响风洞试验技术,该技术区别于分离形式的喷流影响试验技术,利用波纹管实现了飞行器模型与喷管的一体化设计。天平同时测量模型外部气动力和喷管推力,避免了分离形式喷流影响试验技术存在的喷管几何不完全相似、模型与喷管易碰触、腔压难以准确修正等问题。对一体形式喷流影响试验技术的相似参数、试验原理、波纹管技术等进行了系统介绍,地面调试及风洞试验表明:一体形式的喷流影响试验技术可以获得不同落压比和不同矢量喷流对飞行器的喷流影响量,在经过进一步细节优化后,将形成成熟的试验能力,并依据该技术可以发展喷管性能风洞试验技术、一体形式的推力矢量风洞试验技术等。     

纹影流动显示技术在超声速射流数值模拟验证中的应用

为了研究总压探针测量方法在欠膨胀超声速射流中的可行性,论文采用非结构网格有限体积法对含探针和不含探针的射流流场进行数值模拟,并通过对两个计算结果的比较,给出这种测量方法的参考性评价。为了证明数值方法及计算结果的可靠性,给出了口径6mm的喷嘴、粗1.3mm总压探针在压比4的流动条件下纹影流场显示和总压探针测量等实验结果。     

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%。