圆管内高超声速流的发展和激波形态的实验研究

本文的研究目的是了解沿圆管内发展的高超声速流的结构。实验是在加拿大多伦多大学的高超声速炮风洞内完成的，风洞的自由射流马赫数Ｍ＿∞＝８．３０，总温Ｔ＿（ｔ∞）＝１０００Ｋ，总压Ｐ＿（ｔ∞）＝２６．５ＭＰａ单位雷诺数Ｒ＿ｅ＝３．２×ｌ０￣７。壁面静压以及内流中的若干截面内的皮托压力和静压测量结果揭示，管内产生的激波主要是斜激波形态，而且存在着较强的激波与边界层的相互干扰。实验发现，近管中心线的高超声速流动有不稳定现象；壁面的边界层，基本上是湍流边界层，特别是干扰区的下游；圆管出口的周向内壁面的顶壁面静压对管的攻角异常敏感。本文提供的结果，可以指导高超声速流的计算流体力学的方法和进展。     

叶栅跨音速流场的Euler解

应用Jameson的有限体积法求解二维Euler方程，模拟叶栅跨音速流场，并运用当地时间步长和隐式残差平均技术加快收敛速度，计算结果与理论解和试验数据吻合良好，本文比较了采用两种不同的通量计算公式的计算结果。     

球面激波对平面的马赫反射的简化处理

本文利用Whitham绕射理论,给出了球面激波对平面绕射时马赫杆的近似解,同时求得了马赫反射三波点迹线及壁面超压。另外还导出了新的面积函数表达式。在壁面超压的计算上,这些理论结果与用Whitham方程求得的数值解相符合。     

喷管激波贴口压比计算

本根据试验数据，采用多元线性回归分析方法建立了轴对称收敛－扩散喷管激波贴口时落压比与面积比，收敛半角，扩张半角，无量纲喉道曲率半径之间关系的数学模型，为喷管研究提供依据。     

二元喷管跨音速流场的数值计算

本文采用有限体积法进行空间离散,Runge-Kutta法进行时间推进的办法,通过求解Euler方程来模拟二元收敛—扩散喷管跨音速流场。运用隐式残差平均技术和当地时间步长法加速计算收敛。为了消除气流参数的波动和激波前后的振荡,在方程中添加了自适应耗散项。在100个时间步以内便可获得稳态解。计算结果与试验数据和其他数值方法吻合良好。      

平面激波绕矩形障碍物后的绕射与反射

本文通过激波管二维光测模型实验和采用矩形网格的FLIC方法进行数值计算两种手段针对平面激波绕矩形障碍物后的绕射与反射的问题进行了分析和研究。文中给出了绕射波的波形以及平面激波绕过矩形障碍物后与地面相互作用而产生的从规则反射到马赫反射的波系图案。本文考虑了入射激波马赫数M_i及不同矩形障碍物高度H的影响,并将二维光测模型实验同数值计算的结果进行了比较。     

自由流单位Re数对边界层转捩的影响

利用激波管实验原理和实验技术,在截面为94 ×94mm~2的激波管实验段中,测量了自由流单位Re数单一变化时壁面边界层转捩Re数的变化规律。为此研制了一种可直接显示边界层从层流向湍流过渡全过程的热电模拟网络。根据大量测量结果,并以自由流单位Re数为自变量,整理出预测平板边界层转捩Re数的经验公式。     

跨音速喷管流动的数值模拟

数值方法采用的差分格式是具有高分辨率和快速稳定收敛性质的全变差衰减(TVD)格式。喷管壁面形状和反压可任意给定,对于典型轴对称与二维喷管(即壁面由收缩角为45°,扩张角为15°的两条直线用圆弧光滑连接而成。圆弧的无量纲半径等于0.625,其参考长度为喉道半宽),进行了有激波与无激波流动的数值模拟。计算结果与实验结果以及其他计算结果符合良好,此法可推广到非定常跨音速喷管流动的计算,并可用于工程中喷管设计。     

跨音速叶栅流场的无粘-边界层迭代计算

二维跨音速叶栅流场的计算是在无粘时间相关法计算程序的基础上采用无粘-边界层迭代而得。马赫数从亚音速到超音速范围的几种数值试验均与测试结果吻合一致。在边界层无强烈脱流时可获得很好的结果。