高超声速气动热力学重要基础问题研究进展

高焓激波风洞是研究高温真实气体效应主要的地面模拟设备,基于高焓激波风洞发展的试验技术主要包括驱动技术、流场检测技术和测试技术。决定试验段所能达到的总焓和总压水平的驱动技术,主要包括变截面驱动、多段驱动、轻质气体驱动和加热轻质气体驱动;高焓激波风洞驻室温度高,导致激波管末端和喉道等内流道产生烧蚀并对流场带来污染,并且在高温条件下气体分子发生离解甚至电离,导致试验分析困难;确定试验段自由来流参数和有效时间以及污染气体推迟的流场检测技术,是开展风洞试验的前提条件;高焓激波风洞总焓和总压高,有效试验时间毫秒量级,对测试技术提出了更高的要求。本文综述相关技术的研究进展,重点介绍了气动热/气动力以及流场物理化学参数的测试技术,指出进一步的技术发展方向,以期为大型高焓激波风洞的发展与应用提供参考。     

机载天线罩的设计研究

在发射的主动上升段,由于天线罩突出卫星密封舱表面,天线罩将承受气流冲刷作用,为了准确设计天线罩抗力学环境,需要对上升段天线罩的受力情况进行详细计算和分析。根据具体的弹道参数,卫星上升过程中最大动压对应的马赫数约为1.4,基于此选择动压最大的马赫数段（Ma=1.0~1.8）,采用数值模拟方法详细计算分析了定常状态下天线罩在不同马赫数、不同迎角下的气动力载荷和力矩载荷。结果表明：随着马赫数的增加,天线罩所承受的气动力载荷和力矩载荷均表现为先增大后减小,最大气动力载荷出现在Ma=1.2,大小约为435.5N,最大力矩载荷出现在Ma=1.4,大小约为14.5Nm;随着迎角的增加,天线罩气动力载荷呈现增大趋势,但增幅较小。在实际飞行中天线罩的局部或全部已经淹没在火箭弹身的边界层中,因此弹身的存在对天线罩的迎角效应会产生影响。     

空心弹的阻力特性与气动外形数值分析

作为一种新型超声速弹药,空心弹具有阻力小、精度高等优点,在航空与防空弹药领域具有广阔的发展前景。本文以课题组前期研究的某30mm空心弹为例,基于四阶多项式响应面近似模型,综合运用UG、ICEM CFD、FLUENT、MATLAB等软件,结合单纯形法,以最小阻力系数为目标对空心弹的气动外形进行了优化,得到了α=0°、Ma=3.0条件下的空心弹最小阻力系数及气动外形参数,该阻力系数与前期数值模拟研究结果相同。在此基础上,以最小阻力系数为目标对α=0°与4°、Ma=2.5~4.0条件下的气动外形进行了优化,得到了相应外形参数的变化范围。另外,利用Kriging近似模型和NSGA-Ⅱ优化算法等,并以最小阻力系数和最大升阻比为目标,对α=4°、Ma=3.0条件下的空心弹气动外形进行了优化,得到了相应的优化外形。与初始弹形相比,优化后空心弹的气动阻力明显减小。本文验证了近似模型可用于空心弹气动外形优化设计,可为相关工程应用与研究提供重要参考。     

地球大气再入返回器辐射加热计算方法研究

高超声速再入飞行器的热环境特性是热防护设计的重要基础。它主要包括辐射加热和对流加热,一般情况辐射加热较小可以忽略,但部分再入飞行器在低空还具有极高的速度,辐射加热不能忽略。本文针对高超声速再入飞行器驻点的辐射加热特性开展了研究,采用高温空气辐射加热的四光谱带模型,同时计算方法中考虑了非平衡辐射加热及其“截断效应”。计算结果表明,在低空高速再入阶段,辐射加热比较明显,热防护设计需要考虑辐射加热。辐射加热主要由可见连续光谱辐射构成,红外线谱和紫外线谱的辐射加热也比较明显,紫外连续谱辐射以及非平衡辐射效应均不明显。辐射加热沿球头驻点至球头外边缘逐渐减小,影响辐射加热的主要因素有头部半径、飞行高度和飞行速度。     

脉冲等离子体气力激励抑制翼型吸力面流动分离的实验

为了研究前缘缝翼尾缘剪切层对多段翼气动性能的影响,通过在前缘缝翼尾缘添加喷流的方式来改变缝翼尾缘处的剪切层。选取不同的喷流流量和流速等参数,利用CFD手段研究了喷流对缝道的速度分布以及多段翼各个翼面气动力的影响。多段翼二维非定常流场由有限体积法求解的二维非定常雷诺平均Navier-Stokes方程得到。分析结果得到：前缘缝翼尾缘添加喷流后对多段翼各个翼面压力分布和最大升力系数均有较大影响,其中,主翼最大升力系数、总的最大升力系数、前缘缝翼和后缘襟翼升力系数随着喷流动量系数增加而增加。     

电磁波在等离子体高温气体中传输特性试验研究

介绍了在电弧风洞上发展的一种新型试验技术。针对某型飞行器,了解其在飞行条件下天线窗烧蚀透波特性对于了解及掌握“黑障”问题及通信信号特点至关重要。在电弧风洞内开展热/透波联合试验考核是地面试验考核的最佳选择,但存在若干技术难点。为此在电弧风洞开展热/透波联合试验技术研究,使用半椭圆喷管,改进进气方式,提升能量利用率;改进电弧加热器结构解决了铜离子对测试的干扰;设计定向天线,在关键部位布设吸波材料解决了试验段内微波反射问题;将收发天线均置于试验段内部,保证天线同频振动,解决了风洞启动时天线抖动导致的信号波动;设计水冷箱体解决了天线窗口长时间气动加热下天线的热防护问题。经试验验证,研究内容是有效的、成熟的、可行的。目前该技术已成功用于指导在电弧风洞上开展的数项试验。     

高超声速地面试验方法综述

翼/舵等部件在转动条件下热结构/匹配/密封考核一直是高超声速飞行器研制阶段的技术难点,以前该类考核基本采用高超声速验证器在飞行条件下直接考核。基于该地面考核难题,在电弧风洞上开展了相应的试验技术研究,针对如何建立流场、解决流场堵塞、转动条件下流场控制等技术问题提出了相应的解决方案,并成功应用于转动部件热结构、热匹配及热密封试验中,结果表明：试验模型表面热流分布与飞行条件下较为一致,转动过程中流场稳定,在国内首次实现了高超声速飞行器转动部件动密封地面试验考核。     

基于非结构动网格的跨音速颤振研究

针对大型飞机跨声速静气动弹性问题,基于CFD/CSD流固耦合方法开展了数值模拟应用研究。具体方法是：采用RANS方程与静气动弹性平衡方程作为计算控制方程,CFD采用多块对接结构化网格进行分区并行计算,并利用多重网格技术加速收敛;使用RBF结合TFI方法进行网格变形;通过TPS插值实现多场数据交换。基于上述方法开发了计算程序,并与典型风洞试验结果开展了对比研究,验证了方法和程序的有效性。最后通过数值模拟结果,分析了跨声速时静气动弹性对典型大型飞机机翼的几何变形、表面压力及气动性能的影响特性。     

用电磁体积力的翼型绕流控制实验研究

研究了电磁体积力控制弱电解质溶液流动边界层的基本原理以及分析了翼型电磁激活板的绕流实验结果.电磁体积力控制弱电解质溶液流动边界层是磁场和电流相互作用产生电磁体积力作用在流体上的结果.实验结果表明:电磁力作用改变了翼型表面的流体边界层的结构,其作用与改变翼型的迎角类似.加正向电磁力,相当于减小翼型的迎角,可以抑制流动分离,消除涡街;而反向电磁力则相当于增大迎角,在翼型的背风面产生大尺度的流动分离,流场中出现复杂的旋涡结构.     

低速离心压缩机旋转失速的试验研究

对某低速离心压缩机无叶扩压器壁面静压波动和内部流场进行了详细的试验测量,重点研究了小流量工况下的不稳定流动和旋转失速.在试验中,首先使用高频动态压力传感器获得了不同流量工况下扩压器前盖板处的静压波动,并对测量结果进行了频谱分析,以确定旋转失速起始工况点和不同小流量工况下的失速频率.然后使用PIV测速设备详细测量了在失速条件下,无叶扩压器及叶轮流道内部的流场变化.试验丰富了对低速离心压缩机旋转失速流动现象的认识,为设计高性能的离心压缩机提供了丰富的实验数据.