2008年世界深空探测获得丰硕成果（下）

（三）美国彗星探测拓展研究,欧洲小行星探测取得新进展 1.＂深度撞击＂探测器继续进行彗星探测,将进行＂系外行星观测与深度撞击延长研究＂（EPOXI）     

二维翼型大尺寸过冷水滴撞击特性及冰形分析

基于现有大尺寸过冷水滴(supercooled large droplet, SLD)动力学特性,分析水滴变形对阻力的影响.并根据几种典型的反弹/飞溅模型,分析了SLD的阻力变化、反弹、飞溅等对水滴撞击特性的影响,采用软件FENSAP-ICE的飞溅模型和LEWICE 2.0的反弹模型研究了反弹及飞溅现象对冰形的影响.计算结果显示:水滴撞击前的破碎现象对水滴尺寸分布有较大的影响,进行撞击特性以及冰形计算的时候需进行考虑;SLD破碎、飞溅、反弹降低了局部水收集系数、减小了水滴撞击范围;飞溅现象主要发生在机翼前缘附近区域,反弹主要在撞击边缘区域;水滴直径增加,飞溅现象逐渐减弱,但边缘位置的反弹现象一直很明显.SLD变形带来的阻力影响对冰形及结冰区域影响很小;与未考虑飞溅及反弹现象得到的冰形比较,考虑飞溅及反弹得到冰形前缘区域形状变化不大,但是整体结冰区域减小.      

水滴撞击特性的高效计算方法

针对拉格朗日方法计算水滴撞击特性效率低、通用性差等问题,发展了一种水滴撞击特性的高效计算方法。在求解绕流流场的基础上,结合逐级结构化管理的边界信息存储方式,采用目标扩散追踪方法对水滴所在网格单元进行快速计算,并插值得到该点处的流场信息,逐个求解水滴运动方程得到各水滴的运动轨迹,从而确定水滴撞击极限、收集系数等撞击特性参数。通过对NACA0012翼型、GA-W(1)两段翼型和某三段翼型的计算得到不同状态下的水滴撞击特性,计算结果表明,该方法与传统方法相比具有计算效率高、结果可靠、通用性好等优点。     

水滴撞击特性参数的动态图像测量方法

以染色法为基本原理,实验采集试件表面不同位置的染色过程视频.通过对视频数据的分析获取试件表面色度随时间增长的时序信号.实验过程可以划分为欠饱和区、平衡区和过饱和区.平衡区的比色值分布即为局部水收集系数分布的归一化结果.通过比色积分曲线的极限行为确定水滴撞击极限和总收集系数与最大局部水收集系数的比值.将实验结果与数值仿真结果和NASA(美国国家航空航天局)实验结果对比表明:水滴撞击特性参数与动态视频图像的RGB(rad-green-blue)色度空间可以建立较好的关联,实验重复性误差率小于±15%;水滴撞击特性参数之间存在内在关联.      

横向气流中液体圆柱射流的破碎特性和表面波现象

采用高速摄像仪对横向气流场中的圆形液体射流的圆柱破碎过程(低Weber数)进行了实验研究.实验采用直射式喷嘴,喷孔直径为0.3mm和0.5mm,喷嘴长径比均为40.实验工质采用水.Weber数为1.7~7,液/气动量通量比为3.4~83.实验观察了表面波现象及射流破碎形成的液滴的尺寸及其速度.观测发现,表面波波长随着气流Weber数的对数的增加而线性减小.破碎后形成的液滴直径 d_p/d₀与Weber数的对数成正比.液滴的初始x方向速度与y方向速度大小与液滴直径无关.在实验范围内,液滴y方向速度均不随Weber数和液/气动量通量比的变化,约为初始射流速度的0.94倍;而液滴x方向速度约为0.085倍的气流速度.对表面波和破碎后形成的液滴尺寸及速度的研究有助于构建更精确的初始雾化模型.      

工程约束下基于自由曲面方法的机头气动修形设计

二次曲线由于其良好的几何特征,在传统的飞机建模过程中得到较多的应用,但是单一的控制参数使其外形变化受到限制,而灵活的外形变化恰是NURBS曲线的主要特点。根据飞机设计过程中总体布局要求及人机工效约束条件,采用NURBS曲线曲面方法,使用控制点位置的相对长度与角度为设计参数,在飞机机头参数化建模过程中融入相关的工程约束,通过CFD计算分析,对设计参数进行优化,得到符合要求的模型;并尝试在风挡区域增加一条横向控制线,调节风挡局部区域的气流流动。结果表明,采用NURBS方法可以得到符合设计要求的机头外形,而且对外形的控制更加灵活;增加风挡区域的横向控制线改善了风挡局部区域的气流流动。     

飞机结构弹性对起落架缓冲性能的影响

研究了飞机结构弹性对起落架缓冲性能的影响。建立了计及飞机结构弹性效应的起落架缓冲系统的动力模型和分析方法。应用结果表明,飞机结构弹性效应能降低起落架缓冲系统的过载、位移等,尤其对大、中型飞机主起落架更为明显,如,某Ｙ机主起落架过载降低６％。     

二维横向喷流的N-S方程数值解

让一股射流横向注入超音速流产生所需要的干扰效应是一种飞行器飞行控制的常用手段,如航天飞机和机动导弹上的反作用控制系统(RCS).所以,对射流与主流相互干扰的某些流动特性应该有个基本的了解.本文通过应用MacCormack显格式和Baldwin-Lomax修正的代数湍流模型求解二维RANS方程对带横向射流的绕后台阶的M_∞为2.19和6.00的超音速外干扰流场进行了数值计算.与无喷射流的情形相比,回流涡旋区由2个增加到4个,且底部压力有大的回升,喷口宽度越大,回升效应越显著.另外,数值计算表明,在压力梯度变化比较平缓的区域附加一四阶人工粘性能有效地抑制数值振荡,加快收敛.     

直流互击式喷注单元雾化特性准直接数值模拟

为实现直流互击式喷注单元雾化过程的数值求解并探究结构及工作参数对雾化特性的影响规律,基于一种树形自适应加密算法与流体容积(Volume-of-Fluid,VOF)方法实现了雾化过程的准直接数值模拟。计算得到了两股射流由喷射到撞击形成液膜,液膜进一步破碎形成液丝、液滴的全过程,获得了液膜的破碎长度、液滴的Sauter平均直径、雾化频率等雾化特性参数。通过将典型算例的计算结果与试验数据进行对比验证了计算的有效性,给出了数值求解精度。探讨了撞击波的形成机理,分析了雾场液滴的尺寸分布规律,撞击夹角、孔径比、射流速度、动量比对雾化特性的影响规律。结果表明:所采用的算法可以实现多相、多尺度雾化过程的数值求解;撞击波的形成是由于两股射流撞击时惯性力的不完全对称导致的;雾场液滴的尺寸分布近似服从Rosin-Rammler分布;撞击夹角的增大与射流速度的提高导致液膜的破碎长度减小,液滴的平均粒径减小,撞击夹角增大雾化频率呈减小的趋势,射流速度提高雾化频率呈增大的趋势;动量比为1而孔径比不为1时会形成凹形液膜,雾场存在一定程度的偏斜;动量比主要影响雾场的偏斜程度。     

燃油直接喷射入横向气流中雾化机理数值研究

采用商业软件Fluent对燃油直接喷射入横向气流中的破碎雾化过程进行数值模拟,选用欧拉-欧拉方法中的VOF（volume of fluid）耦合level-set方法模拟气液两相流动.数值模拟了横向气流中燃油直接喷射射流破碎雾化过程及其相应流场信息,分析了流场结构对液柱破碎雾化过程的影响,获得了横向气流中射流破碎点位置以及射流穿透深度,并与试验数据进行了对比.数值计算结果表明:①采用VOF耦合level-set算法能够较好地模拟射流喷入横向气流中燃油破碎雾化过程;②由于反向旋转的涡对的存在,使得液膜和液滴沿着展向（y向）输运,对于液滴的二次雾化起到促进作用;③射流液柱总是在喷嘴下游约8倍直径处开始破碎,且破碎点位置取决于喷嘴几何特性.