高超声速复杂气动问题数值方法研究进展

高超声速流场具有复杂流动特征,其中真实气体效应、磁流体干扰效应和力热结构耦合效应等对气动力分析产生了重要影响。将流体力学研究扩展到分子动力学、电磁流体力学以及流固耦合等交叉学科领域,这给数值模拟方法带来了巨大挑战。针对高超声速气动力/热分析的热点问题,重点关注高温效应与低密度流动效应、磁流体干扰效应和力热结构耦合效应等,结合算例分析了相应的数值求解技术;在气动热方面主要比较了3类求解方法(纯工程方法、纯数值方法和基于Prandtl边界层理论的方法),并给出了相应算例;对于气动力/热/结构耦合问题,从耦合模型及耦合计算方法两方面开展了分析。最后指出了高超声速复杂气动问题数值求解技术未来需重点关注的几个方面。     

高超声速飞行器表面温度分布与气动热耦合数值研究

针对高超声速飞行器热防护设计中的高温气体非平衡效应问题和气动热环境精确预测问题,基于流场的非平衡Navier-Stokes方程、表面的能量守恒方程和内部的热传导方程,考虑流场的非平衡效应、表面的热辐射效应、催化效应和烧蚀效应以及热防护层内部的热传导效应,建立了初步的表面温度分布与气动热的耦合计算方法,完善了高超声速飞行器气动物理流场计算软件(AEROPH_Flow)。在表面材料为碳-碳(C-C)条件下,对飞行高度为65km和飞行速度为8,10km/s的半球以及飞行高度为50km和飞行速度为8km/s的球锥模型,开展了表面温度分布与气动热的耦合计算,验证了计算方法和计算软件,分析了表面温度分布对气动热环境的影响。研究结果表明:表面温度分布对气动热的计算结果有较大影响,在气动热环境的预测中,不仅要考虑热化学非平衡效应和表面催化效应的影响,还要考虑表面温度分布的影响,最好是采用表面温度分布与气动热耦合计算的方法,以减小表面温度分布对气动热计算结果的影响。为此,需要发展完善非平衡流场/表面催化和烧蚀/热传导温度场(气/表/固)的计算模型、耦合求解技术和计算软件,实现对高超声速飞行器的真实飞行条件下高温气体非平衡效应和气动热环境的精确模拟。     

高超声速气动热预测技术及发展趋势

高超声速气动热预测技术是高超声速飞行器发展的关键技术之一。对高超声速气动热预测技术的发展情况进行了分析探讨。首先,简要回顾了国内外高超声速气动热理论预测及地面实验技术的发展历程;在此基础上,结合典型外形的计算与风洞试验结果的比较,重点介绍分析了气动热工程计算方法、数值模拟方法、气动热风洞试验设备的模拟能力及目前实验测试技术的研究水平;最后,对气动热预测技术的发展趋势进行了讨论,提出了气动热预测技术应研究解决的问题。     

发动机动力模拟风洞试验中的空气桥技术

介绍了发动机动力模拟风洞试验中的空气桥设计技术和影响修正方法.通过自由度分析,选择了合理空气桥布局,采用有限元方法对空气桥关键受力梁进行了优化,建立了空气桥天平一体化数值模拟技术,使得空气桥和天平刚度更加匹配.通过这些设计及优化使得空气桥的作用力最小,并具有较强的克服压力影响、温度影响的能力.通过试验建立了空气桥附加刚度影响、内部压力影响、温度影响和内部流量影响的修正方法,进一步减小了空气桥对天平的影响.在8m×6m低速风洞进行了某大展弦比飞机全模涡扇动力模拟器(TPS)短舱动力模拟试验.试验结果重复性好,阻力系数精度达到0.0003,和相关文献吻合.这表明空气桥技术是成功的,满足了TPS短舱动力模拟试验要求.      

飞机客舱烟气扩散数值仿真

通过建立五排客舱的几何模型及客舱烟气流动的数值仿真模型,采用RNG k-ε湍流模型对客舱内的湍流流动进行描述。基于Fluent对火灾阴燃阶段客舱内烟气浓度场和温度场进行三维数值模拟分析,预测了烟气浓度随时间变化规律。结合适航规章分析烟气中CO、CO2浓度对客舱空气品质及乘客健康安全的影响,给出火灾紧急措施建议,同时也为大型运输类飞机烟雾的适航审定符合性验证方法的研究提供基础。     

超声速隐身歼轰机概念设计数值模拟

为了提高军用飞机的空战和对面攻击能力,对歼轰机进行总体设计。采用CATIA软件,设计出隐身歼轰机的三维数字样机和武器挂载方案;基于物理光学法和等效电磁流法,采用自编的RCSAnsys软件,数值模拟歼轰机的数字样机在X、S和UHF波段下的RCS特性和强度分布特性;基于湍流模型的k-ε方程和控制理论的N-S方程,采用Fluent软件,数值模拟歼轰机的数字样机所在空气流场的压强和速度分布云图,得出整机的升阻特性。概念设计数值模拟结果表明：内置弹舱的歼轰机前向±30°的RCS均值≤-4.728 dBsm,超声速飞行时歼轰机的升阻比约等于5.6337。     

大涡模拟研究钝体有旋流流场的拟序结构

对带有中心钝体的分层旋流燃烧器的冷态流场进行了大涡模拟(LES),选取动态Smagorinsky涡黏模型作为亚格子模型,研究旋流数为0.45时旋流场的大尺度拟序结构。模拟结果表明:瞬时压强等值面显示的内外螺旋涡及进动涡核(PVC)均与平均速度场流线在空间上呈正交关系,表明两种涡结构均由剪切层Kelvin-Helmholtz不稳定性产生。Q准则等值面显示内外螺旋涡在下游20mm左右开始发生破碎。PVC发源于环形旋流与环形射流剪切层附近的下游区域。瞬时周向速度的功率谱密度(PSD)出现明显的特征峰,表明PVC影响附近的流体,使之出现进动特征。采用本征正交分解(POD)重构湍流脉动速度场,不同模态下功率谱密度结果表明前两个模态的大尺度结构具有进动特征,使用前两个模态的周向脉动速度等值面显示了PVC周围流体的大尺度涡旋结构。     

模拟失重条件下航天员旋转运动方法实验验证

航天员太空飞行中,需要改变自身位置与朝向以完成不同的作业任务,当其无法触碰到手脚限制器等借助物时,会涉及通过自身动作的转换产生人体旋转的问题。为此,首先基于Roberson-Wittenburg方法建立了人体动力学方程,据此提出能够使得人体转动的肢体操作方法,然后采用悬吊法模拟太空失重环境,对比不同控制方法产生的旋转作用效果,发现肢体旋转时与身体的夹角和肢体旋转速度是影响人体旋转完成时间和关节力矩的主要因素,最后结合推荐动作与实验结果提出空间姿态变换运动的操作建议。结果表明本文推荐动作有一定的优越性,对航天员处于太空中的自旋转运动具有实用意义。     

GH4169合金反挤压成形模具磨损

基于修正 Archard 磨损模型,采用数值模拟方法系统分析了 GH4169合金反挤压成形过程中各挤压工艺参数对模具磨损的影响规律。结果表明：在选取的参数范围内,挤压凸模最易产生磨损失效的区域为凸模圆角处,模具最大磨损深度随凸模圆角半径及坯料预热温度的增大而降低,随摩擦系数的增大而增大;当挤压速率小于100 mm ／s时,模具最大磨损深度随挤压速率的增大而减小,当挤压速率大于100mm ／s 时,模具最大磨损深度随挤压速率的增大先增大后减小。最佳工艺参数坯料预热温度1020℃,摩擦系数0．05,变形速率100mm ／s,模具预热温度300℃时模具磨损量最小,为9．28×10－3 mm。     

油膜干涉测量翼型壁面摩阻低速风洞试验技术

油膜干涉试验可以定量测量得到模型壁面的摩擦应力,是开展摩阻特性研究的有力工具。通过对油膜干涉试验技术中的试验原理、试验方法、误差修正、数据结果分析等关键问题的研究,初步建立了试验系统,具备了开展模型壁面摩阻特性研究的试验能力。综合分析表面热膜试验结果与数值计算结果,在以模型弦长为特征长度,试验雷诺数 Re ＝1．3×106的条件下,翼型表面摩擦应力沿模型弦向的分布规律具有较好的一致性。